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能源效率超過 100%?3D 太陽光熱蒸發器淨水器設計大躍進

linjunJR_96
・2021/05/14 ・2306字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

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台灣目前面臨數十年來最嚴重的乾旱危機,不過缺水的可不只有我們。此時此刻,全球共有十四億人口無法享有穩定的乾淨水源,也就是說每五個人之中就有一個人不時需要為用水所苦。這個比例在未來預計仍會持續增加。

雖說地球表面上有 70% 被水覆蓋,不過其中只有不到 3% 是淡水,其餘都需要經過一番功夫來取得或淨化,才能被進一步利用。再加上氣候變遷,人口成長等因素,使得原本珍貴的水資源更加稀少。在聯合國 2015 年公布的永續發展目標中,第六項便是「確保所有人都能享有水及衛生及其永續管理」。

因此,淨水技術的發展與優化,便成為重要的課題。部分地區的人民無法享受公共自來水的服務,也沒有錢或能源進行逆滲透等傳統淨水方法;他們需要的是輕便便宜的淨水裝置。

「光熱材料」面對熱能散失的瓶頸

其中一個解法是日光蒸發:利用陽光將水蒸發淨化。不過稍微想一下:即便是在最刺眼的陽光下,要將一小盆水蒸乾可能還是得花上一整天。因此只靠太陽輻射的「熱能」是不夠的,需要額外將太陽的「光能」轉為熱。執行這個任務的物質被稱為「光熱材料」

水在沸點才會「沸騰」,但在任何溫度都能「蒸發」。而且水在蒸發時會帶走非常多的熱能,讓 1g 水蒸發所需的熱能比水從 0°C 加熱至 100°C 還要更多。圖/wikimedia

如果將一片透氣的光熱材料放在水上,的確可以增加水接觸熱源的表面積,並蒐集到更多水氣,加快淨水效能。然而在這個過程中,許多熱能都散失到周遭空氣以及下方水體中。水的比熱又特別大,這麼做等於是將辛苦收集來的太陽能全部丟進水溝。因此,以往的光熱蒸餾法往往無法提供足夠的蒸發量,也不能解決實際的用水需求。

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真心不騙,新蒸發器能源效率 100%!

由於傳統光熱蒸發器的效率低落,南澳州大學未來產業學院的徐浩蘭(Haolan Xu)教授開發出了新一代的 3D 光熱蒸發器。這款發明標榜:「能源效率 100%」。這可不是什麼內容農場的標題。特殊的 3D 設計讓它不只能完整運用所有太陽能,還能從外界環境偷取更多能量!

這種蒸發器長得並不起眼,像一大塊黑色的菜瓜布。這是因為黑色的光熱材料被製成了噴霧,噴在彈簧支撐的棉布纖維上。蒸發器的頂端負責吸收太陽能,轉換成熱能;同時,水分被吸收到纖維中,並在加熱之下從蒸發器的表面蒸發。

3D 太陽能蒸發器示意圖。圖/參考文獻 2

以上原理跟以往的光熱蒸發器沒什麼不同,這次發明的真正突破其實是直立於水上的立體結構,在新型設計中,立體結構擁有較大的側面面積,這些表面相對不會接收到那麼多陽光,卻能夠持續蒸發,排出熱能和水氣。由於水蒸發的過程會帶走相當可觀的熱量(所以雨後的空氣總是格外涼爽),這讓蒸發器不會一直升溫,而是會在「太陽加熱」和「蒸發散熱」兩者之間取得平衡。

也就是說,藉由增加水蒸發表面積,來增加水蒸發量,以提升水蒸發所需要的熱。由於水蒸發所需要的熱變多,但蒸發器從太陽吸收的熱並沒有變多,因此蒸發所需的熱只能從原本造成蒸發器溫度上升的熱來獲取

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而當蒸發所需要的熱,與蒸發器從太陽吸收的熱相等時,這時蒸發器的溫度就不會改變,而所有從太陽吸收的熱,就會全部用於水蒸發上,這就是前面提到 100% 能源效率。

蒸發器的立體結構設計增加了冷蒸發表面的面積,使得材料表面溫度低於環境水溫氣溫,得以逆轉先前蒸發器的熱能散失至環境中的問題,讓熱能得以從環境反向流向蒸發器系統。圖/參考文獻 3

當蒸發吸收的熱,大於陽光提供蒸發器時,這時蒸發器的溫度反而會因水蒸發而下降,熱甚至會從較高溫的水體與周遭空氣流進蒸發器!研究結果顯示,如果加上從周遭環境流入的熱能,這種蒸發器的能源效率直接破表,高達 178%。也就是說,除了原本的太陽光熱 100% 用於蒸發所需要的熱,環境的溫度差還會再額外提供 78% 的熱用於表面蒸發。

簡單設計為水資源危機帶來希望

徐浩蘭教授驕傲的表示,主動從外界汲取能量的光熱蒸發器是世界首創。有了這種技術的加持,蒸發器的效能大幅進步,來到每天每平方公尺 10 ~ 20 公升。此外,這個設計的造價低廉,材料也相對容易取得,不需要專業知識背景就能操作與維護。內部的彈簧讓整個裝置可以被壓縮收納,攜帶與架設都十分方便。

新一代的 3D 光熱蒸發器其實沒有用到什麼新奇的科學原理。其中使用的光熱材料和將其拿來淨水的想法,在幾年前便都已存在。但是透過結合既有材料,並針對需求加以設計,此次創舉或許能真正為缺乏水資源的家庭與社區帶來希望。若你想成為拯救世界的發明家,除了實驗室中的科學技術,更重要的或許是人的需求。

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除了用來蒸餾飲用水,類似的技術還有很多可能的應用方向,例如工業廢水處理等等。徐浩蘭教授和他的團隊接下也會持續往這個方向發展,期許未來能為人類的水資源危機帶來更多創意十足的解方。

參考資料

  1. Sunlight to solve the world’s clean water crisis
  2. Gao, T., Wu, X., Wang, Y., Owens, G., & Xu, H. (2021). A Hollow and Compressible 3D Photothermal Evaporator for Highly Efficient Solar Steam Generation without Energy Loss. Solar RRL, 2100053.
  3. Wang, Y., Wu, X., Yang, X., Owens, G., & Xu, H. (2020). Reversing heat conduction loss: Extracting energy from bulk water to enhance solar steam generation. Nano Energy78, 105269.
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linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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聲音是什麼顏色、什麼味道?談聯覺與跨感官反應
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2023/12/21 ・3162字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文/陳品均|雅文基金會聽語科學研究中心 助理研究員

星期一,聽起來是什麼顏色?

先別急著回答藍色,對某些人來說,這個答案可不是受到情緒經驗的影響,而是真實的色彩反應。

星期怎麼可能聽起來有顏色?事實上,根據研究大約有 4% 左右的人[1],在某個認知或感官接收資訊刺激後,另一種感覺或認知會同步自發的出現,並且具有特定規律,此反應與刺激本身並不一定相關,這些人被稱為聯覺者,擁有像是聽到聲音時,除了聲音的反應外,同時認知到了形狀或顏色等的特徵。

舉例而言,若一位聯覺者聽見 A,除了聲音 A 以外還自動產生了它是紅色的聯覺認知,則不論是在 Apple 或 Angel 中,A 對他而言都是紅色的,不會因為 Angel 比較常以白色的型態出現,便轉換成白色的 A。在學界,聯覺的發展和原因尚在探索中,有些研究指出可能與小時候接觸抽象觀念時的發展、遺傳以及大腦神經機制有關 [2、3]

聽覺及視覺的聯覺者在聽到詞彙時,除了聲音外,同時自動產生了色彩的認知反應。(圖片來源:作者自行繪製)

隨著聯合反應的感官組成不同,聯覺者的異能經驗也五花八門

你能想像當單一感官接收某一訊息時,同時產生另一感官的不同認知是怎樣的經驗嗎?BBC 的科普節目《Horizon》其中一集< Derek Tastes of Earwax >記錄了數名聯覺者的跨感官連結經驗。其中,一名酒吧老闆兼有聽覺和味覺的聯覺,當他聽見各式各樣的詞彙時,宛如品嚐綜合風味豆,讓他飽嘗各種滋味[4]

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聽覺和味覺的聯覺者,聽見各種名詞之際,嘴巴就像是咀嚼著各種滋味。(圖片來源:pexels

另一名受訪者是聽覺及視覺的聯覺者,經實驗後科學家發現,若聽到數字或是月份日期時,這名受訪者的腦部除了聽覺區域外,視覺區域也會產生反應。特別的是,他本身是一名視覺障礙者。

聽覺及視覺的視障聯覺者聽到日期時,腦部視覺及聽覺區域都有反應。(圖片來源:作者自行繪製)

感官認知上特別的連結,讓聯覺者所經驗的世界像是搭載了酷炫的特效般,使他們在藝術創作及記憶上屢有出色的表現,代表人物有:知名文學《蘿莉塔》作者 Nabokov[5]、以引起聽眾共鳴聞名的音樂家 Olivier Messiaen、表現主義的經典畫家 Wassily Kandinsky 等。若想檢視自身是否為天選之人的聯覺者,除了自我覺察是否有異於常人的跨感官連結反應外,目前也有相關的測驗[6]可以參考。

你我的類聯覺」跨感官反應

若說聯覺是天生具有特別音感的人,那麼跨感官反應肯定就是音樂家們透過經驗累積產生的直覺判斷,兩者不盡相同、卻又有其類似之處。那麼,不具有聯覺的異能,我們難道只能認命當麻瓜了嗎?

別急,縱使不是聯覺者,普通人也多少會有類似聯覺的經驗,這樣的類聯覺稱作跨感官反應,往往在我們渾然不覺時,悄悄地舉辦同樂會,並影響人們的喜好、感知和行為等。

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先來看看研究者們發現的有趣現象,請看這兩個形狀:

圖片來源:作者自行繪製

過去曾有研究者以 bouba 及 kiki 兩個虛構詞進行實驗,九成受訪者傾向認為雲朵狀的形狀是 bouba,尖銳的形狀則被認為是 kiki,即使這些受訪者其實並不認識兩個假詞,但基於聲音和形狀的特徵,卻讓多數人做出這樣的選擇[7]

後續研究者也繼續投入各式各樣以不同語言文化環境為背景、不同年齡階層為對象的研究,有趣的是,結果顯示此現象幾乎是跨語言、跨文化、跨地域存在的,甚至在少與外界互動的部落居民,或是尚未識字的幼兒身上,也有這類從聲音特徵影響其視覺形狀感知歸類的效應 [8、9、10]。除了虛構的詞彙以外,有些研究者使用真實存在的詞彙(如:Bob 及 Kirk),來對應圓潤及尖銳的剪影或人臉,最後也有相似的結果[11、12]

一般人的經驗和認知,往往加速催化感官間的互相影響

除了語言與形狀外,我們生活中還有許多感官互相影響的例子,來試試看下面這張圖,你聽見聲音了嗎?

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(圖片來源:GIPHY

瑞克搖(Rickrolled)的影片在 2019 年突破了 10 億次的 youtube 觀看次數[13、14],迷因化後大量的連結及有聲影片傳播,使得曾經的觀眾在看見這張圖時根據經驗,腦海中自然出現了<Never Gonna Give You Up>的旋律。

然而,不同於聯覺,若沒有經驗累積,跨感官的反應便無法被觸發,以上圖為例,即便觀看次數如此驚人,對於未曾接觸過此影片的人而言,由於缺乏經驗和認知的累積,在看見該張圖片時,理所當然也無法產生相對的聲音反應。

將跨感官反應置入在行銷中的策略,現正流行中!

在大量接收資訊的生活中,我們不自覺地累積了許多感官經驗,成為由單一感官啟動與其他感官同步作用的引線。行銷高手們從中嗅出了商機,精明的將消費者們不由自主產生的跨感官反應也算進了商業行銷的一環。如:某知名咖啡品牌在過去曾進行一項實驗,將兩杯一樣的咖啡配以不同的音效提供給不知情的消費者。前一杯搭配液體沖入便宜咖啡杯、攪拌,模仿沖泡即溶咖啡的聲音,另一杯則在播放磨豆聲、蒸氣聲以及倒進陶瓷杯的聲響後,再次提供給消費者,結果發現在不同的聲音所營造的環境氛圍下,同樣的兩杯咖啡,人們覺得後一杯更加濃醇香,並願意為之付出更高的金額[15]

近年熱門的 ASMR 亦是味覺和聽覺的跨感官應用,若想了解更多,別錯過之前的專欄文章﹤加點「聲音調味料」,享受聽覺與味覺的極致饗宴吧!﹥。

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下次若覺得某張圖片有聲音、光看某部電影的宣傳海報就起雞皮疙瘩,或是外帶的咖啡沒有內用的美味,也許就是跨感官反應悄悄影響了你的感覺。最後,讓我們回到一開始的問題,星期一聽起來是什麼顏色的?不論是不是藍色的,何不試試透過 GIF 圖和親朋好友無聲地分享你震耳欲聾的情感吧! 

參考資料

  1. Simner, J., Mulvenna, C., Sagiv, N., Tsakanikos, E., Witherby, S. A., Fraser, C., Scott, K., & Ward, J. (2006). Synaesthesia: The prevalence of atypical cross-modal experiences. Perception, 35(8), 1024–1033. https://doi.org/10.1068/p5469 
  2. Bankieris, K., & Simner, J. (2015). What is the link between synaesthesia and sound symbolism? Cognition, 136, 186–195. https://doi.org/10.1016/j.cognition.2014.11.013
  3. Freeman, E. D. (2020). Hearing what you see: Distinct excitatory and disinhibitory mechanisms contribute to visually-evoked auditory sensations. Cortex, 131, 66–78. https://doi.org/10.1016/j.cortex.2020.06.014
  4. BBC. (2014, September 17). Science & Nature – Horizon. BBC.
  5. Eagleman, D. (2023, September 6). Wednesday is Indigo Blue. David Eagleman. https://eagleman.com/books/wednesday-is-indigo-blue/
  6. Eagleman, D. M., Kagan, A. D., Nelson, S. S., Sagaram, D., & Sarma, A. K. (2007). A standardized test battery for the study of Synesthesia. Journal of Neuroscience Methods, 159(1), 139–145. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2006.07.012
  7. Ramachandran, V. S., & Hubbard, E. M. (2001). Synaesthesia–a window into perception, thought and language. Journal of consciousness studies, 8(12), 3-34.
  8. Ozturk, O., Krehm, M., & Vouloumanos, A. (2013). Sound symbolism in infancy: Evidence for sound–shape cross-modal correspondences in 4-month-olds. Journal of Experimental Child Psychology, 114(2), 173–186. https://doi.org/10.1016/j.jecp.2012.05.004
  9. Styles, S. J., & Gawne, L. (2017). When does Maluma/takete fail? Two key failures and a meta-analysis suggest that phonology and phonotactics matter. I-Perception, 8(4), 204166951772480. https://doi.org/10.1177/2041669517724807
  10. Ćwiek, A., Fuchs, S., Draxler, C., Asu, E. L., Dediu, D., Hiovain, K., Kawahara, S., Koutalidis, S., Krifka, M., Lippus, P., Lupyan, G., Oh, G. E., Paul, J., Petrone, C., Ridouane, R., Reiter, S., Schümchen, N., Szalontai, Á., Ünal-Logacev, Ö., Winter, B. (2021). The bouba/kiki effect is robust across cultures and writing systems. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 377(1841). https://doi.org/10.1098/rstb.2020.0390
  11. Barton, D. N., & Halberstadt, J. (2017). A Social Bouba/Kiki Effect: A bias for people whose names match their faces. Psychonomic Bulletin &amp; Review, 25(3), 1013–1020. https://doi.org/10.3758/s13423-017-1304-x 
  12. Sidhu, D. M., Pexman, P. M., & Saint-Aubin, J. (2016). From the bob/kirk effect to the Benoit/éric effect: Testing the mechanism of name sound symbolism in two languages. Acta Psychologica, 169, 88–99. https://doi.org/10.1016/j.actpsy.2016.05.011
  13. BBC. (2021, July 29). Rick Astley rolls into a billion YouTube views. BBC News. https://www.bbc.com/news/technology-58011677
  14. BBC. (2018, September 10). Rick Astley on the Rickroll meme that made him an online legend. BBC Scotland. https://www.bbc.co.uk/programmes/articles/5D3ZmWf1hJmCxCc5Vn0sS64/rick-astley-on-the-rickroll-meme-that-made-him-an-online-legend
  15. Jones, R. (2021)。跨感官心理學:解鎖行為背後的知覺密碼,改變他人、提升表現的生活處方箋 (陳松筠譯)。商周出版。

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雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。

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全球與台灣面臨怎樣的水資源困境?有解方嗎?【2023 臺灣國際水論壇】
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/12/14 ・3777字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文由 經濟部水利署 委託,泛科學企劃執行。

人體有 70% 是水,而地球表面亦有 70% 被水覆蓋。「水」對人類來說,是賴以為生的必要資源,又因「水」相對容易取得,讓人們不易察覺水的珍貴。

在近年氣候變遷衝擊下,旱澇交替已成常態,經濟部水利署賴建信署長接受泛科學專訪時亦表示,依據聯合國政府間氣候變遷專門委員會(IPCC)第 6 次評估報告(AR6)分析,未來臺灣連續不降雨日數及最大暴雨強度將明顯增加,對於水資源及水環境帶來嚴峻挑戰。

具體來說,未來降雨將會更集中在特定時間與地點,在降雨地區造成更嚴重的洪災,讓非降雨地區的缺水情形更加嚴重。結果是降雨地區的水庫會不斷洩洪,無法有效收集雨水,而非降雨地區的水庫又會完全沒水。

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這情景也預示著我們平常容易取得的「水」,將轉變為更稀缺珍貴的資源;然而,水又是人生存所必須,若現在不採取行動,水資源終將成為人類生存的最大束縛。

為了讓企業、政府、學術單位能更重視未來所面臨的水資源問題,水利署於 10 月 23 日舉辦的「2023 臺灣國際水論壇」以「水未來」(Vision for Water)為主題,針對「水與企業永續」、「水與能源鏈結」、「水與自然解方」、「水與減碳科技」,希望形成創新的漣漪,向外擴散,激盪出國內外產、官、學界合作契機。

由於氣候變遷,看似唾手可得的乾淨用水,已逐漸成為稀缺資源。圖/Pexels

而擔任「水與ESG-厚植企業永續競爭力」場次的講者,是來自東海大學國際學院永續科學與管理學士學位學程的 Aleksandra Drizo 教授,她以數據與實際案例,揭露水資源短缺到底有多麼迫在眉睫。

全球有35億人,沒有安全與衛生的水可用

Drizo 指出,聯合國 2023 年公布的 SDGs 第六項「確保所有人都能享有水、衛生及其永續管理」報告中,指出世界上 35 億人缺乏乾淨用水與基本衛生條件,並強調:「獲得安全用水,環境衛生和個人衛生是人類健康與福祉的最基本需求。」而若要達到 SDGs 的 其他目標,又以第六項為最重要的核心,因為唯有確保人人都能用上乾淨的水,才有路徑完成其他目標,例如:第二項「終止飢餓」,就必須在確保有穩定乾淨的水源情況下,才可能達成。

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水資源為 SDGs 中的核心,所有指標與其息息相關。圖/Aleksandra Drizo 簡報
聯合國 2023 年的報告指出, 2022 年仍有 35 億人沒有乾淨用水與衛生環境,其中 19 億人連基本用水門檻與衛生條件都無法達到。圖/Aleksandra Drizo 簡報

Drizo 進一步指出,近幾十年來,儘管在改善飲用水和衛生條件方面有所進步,但仍有大量人口無法獲得安全飲用水和基本衛生設施。根據聯合國發布的 《Development and Globalization: Facts and Figures 2016》 資料,從 1990 年到 2015 年間,全球人口增長了 26 億,對水資源的調度與供給造成了巨大壓力。而在 2023 年世界衛生組織提供的乾淨飲用水調查資料中,直到2022年,仍有 22 億人口無法獲得安全飲用水,也與前面聯合國 2023 年的調查報告呼應,再次呈現水資源問題日益棘手的趨勢。

根據聯合國發布的 《Development and Globalization: Facts and Figures 2016》 資料,從 1990 年到 2015 年間,全球人口增長了 26 億,而未開發國家有近三分之一的人,無法確保乾淨用水。圖/Aleksandra Drizo 簡報

水資源困境並非全是全球人口成長惹的禍,全球氣候變遷造成更加頻繁的極端天氣事件,正讓全球面對過往不曾出現的乾旱。《衛報》2022 年報導歐洲面臨前所未見的熱浪與旱災,法國、荷蘭、比利時、瑞士、義大利、西班牙的河流,已經能直接看到河床,當時西班牙政府宣布限水,表示全國儲水量已達歷史新低,只有總儲水量的 40%,且每周都以 1.5% 的速率持續下降。

2022 年歐洲各地都傳出規模不一的旱災災情,如今西班牙缺水問題仍持續影響當地人民的生活。圖/Aleksandra Drizo 簡報

如今全球氣候變遷造成的水資源問題,也逐漸成為常態,《紐約時報》2023 年 10 月報導,如今西班牙仍處於缺水中,西班牙南部的水龍頭已經流不出水了,甚至連水井都已經枯竭,不只農業無法正常發展,民眾還必須仰賴水罐車或罐裝水維生,根據西班牙政府的報告,若缺水成為常態,則本世紀末將有近 74% 的西班牙國土,將面臨沙漠化的問題。

臺灣也面臨缺水問題

臺灣也未能逃離缺水的命運。2021 年春天,發生了 56 年來最嚴重的乾旱,當時外國媒體全都持續關注這場旱災,深怕缺水影響新竹科學園區的產線。而水利署搶先在 2021 年開通的「桃園—新竹備援管線」,從桃園每日調度 20 萬噸的水給新竹,才讓外媒的擔心沒有成真。

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2021年臺灣大缺水,外國媒體都十分關注。圖/Aleksandra Drizo 簡報

此外,臺灣水污染與地下水過度開採也導致水資源匱乏。要扭轉這一局面,則需要從多方面著手,水利署也已經開始建置相關工程並陸續投入使用,例如:高屏溪的「伏流水」與臺中水楠經貿園區淨化污水再利用的「再生水」,為地方開創多元水源,創造更有保障的用水環境。

Drizo 表示,臺灣的水庫也因氣候變遷面臨「優氧化」問題。由於水庫的水停滯過久,營養物質(氮和磷的化合物,相當於肥料)逐漸累積在水中,加上近年溫度上升,讓水中藻類與浮游生物孳生。在 2023 年的水利署水質檢測報告中,全國 20 個主要水庫中有 8 個水庫的水質已經優養化,這些優養化的水會對淨水廠造成額外負擔,而過濾出來的廢棄物處理也是個難題。

2023 年 7 月,水利署發布的水質調查報告指出,臺灣水庫有水質優養化問題。圖/Aleksandra Drizo 簡報

而 Drizo 針對優養化問題,提出以自然為本的解決方案(Nature-based Solutions, NbS)),並分享過去在各地施行的案例,例如:在 2009 至 2011 年與屏東科技大學的研究計畫,架設的社區小型污水淨水廠,以及用在美國俄亥俄州的農業污水淨水方案。最後 Drizo 分享了將廢棄物轉化生成富營養肥料等高附加價值產品的相關技術研發。也就是說,在淨水的同時,還能把廢棄物轉換為有價值的肥料,這不僅可以提高水資源利用效率,也具有重要的環保意義。

Drizo 的演講代表了學界在水資源問題上的重視,也提到了水利署正一步一腳印地改善臺灣用水環境,那麼身為用水大戶的企業,又有什麼作為呢?

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企業面臨的永續發展難題

臺灣美光記憶體的環安衛、風險管理暨永續發展處處長江頴俊在「水與ESG-厚植企業永續競爭力」場次分享該公司的實際經驗,臺灣美光記憶體透過「綠色基礎設施」、「流程優化」和「設備更新」的措施,成功達成每一滴水重複利用三次的目標,這項措施每年節省約 6000 萬立方公尺的水,相當於 6500 座奧運游泳池的水量。

然而,像美光這樣能提出具體目標與可信成果的企業並不多見,一同演講的法國北方高等商學院基礎建設研究中心 (EDHEC infra)的資深研究工程師 Nishtha Manocha,則說明大部分企業的永續發展目標缺乏 「設定具體可行的環保目標」以及「準確量化環保成果」。

許多企業的永續發展目標僅停留在概念階段,並沒有具體的達成路徑與量化檢核指標,這種模糊不清的目標將無法帶領企業持續行動。而更嚴重的是在量化成果這塊,目前企業仍多以內部數據來評估成效,缺乏第三方機構的驗證,資料的真實性可能會遭到質疑,也衍生出了「漂綠」的相關問題。

同場演講者—資誠聯合會計師事務所所長暨執行長周建宏,則表示「永續發展」已經是熱門的投資標的,投資人也害怕自己把錢給了「漂綠」的公司,最後虧得血本無歸。因此,在投資人的引導下,企業的永續發展目標會更為清晰,加上相關監管機構陸續成立,企業勢必將花更多心思在財報與資料呈現上,不能再打著永續發展的大旗,來跟投資者畫大餅。

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打造全球水未來

在「水與ESG-厚植企業永續競爭力」這場演講中,我們看到政府、企業、學界一同合作,共同討論如何解決水資源匱乏的難題。無論是學界針對水質優養化問題所提出的解決方案,抑或是透過投資人監督,讓企業能落實永續發展目標,都能看見世界正迅速朝永續水資源管理轉型。然而,各項監測指標仍顯示氣候變遷亦在加速,將我們推入未知領域,我們必須加快行動,才不會讓更嚴峻的水資源稀缺成為未來世代的枷鎖。

參考文獻

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除了像風車一樣,風力發電機還能長成什麼樣?風機百百種,沒有扇葉還可以靠震動發電?!
PanSci_96
・2023/12/11 ・5185字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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你有騎車被擊落的經驗嗎?比馬路更危險的是,水鳥可能在天上飛著飛著,就被巨大的風機送去投胎。

不是,風機蓋那麼大幹嘛?既然核電有小型核電廠,風電應該也要有小型版吧?

事實上除了大型水平軸式風機外,我們還有轉向不同的垂直軸式風機、天上飛的高空風力發電機,甚至靠抖抖抖就能發電的風力發電棒。等等,這真的能發電嗎?

為何需要新的風力發電技術?

從古巴比倫人和古埃及人的時代,「風」就被視為構成世界的元素之一,因此人類也很早就開始研究如何運用風的能量。古希臘時代,有一款叫做 Heron’s Windwheel 的風琴,就是利用風力驅動風車,並帶動幫浦為風琴不間斷送風。在這之後,中國和歐洲相繼出現各種風車來替人們進行農務工作,例如大家熟悉的荷蘭式風車。雖然現在常見的現代風力發電機組個頭大很多,但構造與荷蘭式風車沒有太大差異,都是扇面垂直於地面,並且扇葉轉軸和風向平行的水平軸式風車結構。但這種已經用了幾百年的風車設計,真的是最理想的發電方式嗎?有沒有更新穎的設計構造可以用來捕捉更多風能呢?

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Heron’s Windwheel。圖/wikimedia
荷蘭式風車。圖/wikimedia

先來說說大家熟悉的水平軸式風車,國際間最普遍的風力發電機組是三葉式的水平軸,台灣西海岸的諸多風力發電場採用的也是這類設計。你曾經好奇,為什麼扇葉是三葉的嗎?或是不知不覺就認為,三葉就是最正常的結構?既然推動風車的力量來自於扇葉,不是越多扇葉就能獲得更多能量嗎?而且看看風車,扇葉的面積明明就不大,旁邊都是空隙,這些能量不是浪費了嗎?實際上也確實不是越多扇葉越好,其中牽涉到許多複雜的因素。簡單來說,更多的葉片會帶來更多的風阻,也會降低葉片旋轉的速度,因此從三葉增加到四葉或五葉所帶來的效率成長非常少。也就是你如果有 12 支扇葉,4 座三葉發電機的發電量,會高於 3 座四葉發電機的發電量。因此,在單支風機的建設成本就是億元起跳的情況下,三葉成為最佳選擇。

對了,雖然更多葉的風機較少見,但反過來說,還真的有雙葉片,甚至單葉片的機組設計。畢竟較少的葉片代表較低的建造成本,以及較快的轉速。但是,單一葉片在旋轉時並不穩定,需要在對面方向額外加裝重物來平衡重量,顯得多此一舉。那雙葉呢?它的問題在於扇葉角度在隨風向調整時,容易產生震動而不穩定,對扇葉和機組的強度要求也更高。在綜合因素考量下,現在大多數的風電機組都是採用三個葉片的設計。

有水平軸式風車,就有垂直軸式風車,也就是轉軸與風向平行的風車。在台灣,你可能在某些工廠或是房屋屋頂上能看到它,我不是指工廠的排風球哦,而是看起來由幾根弧形線條構成的裝置。為什麼要設計成垂直的呢?因為比起水平軸發電機有一個特定的面風向。垂直軸的優勢在於不論風來自哪個方向,它都可以發電,不需要特別轉向;此外,它也不需要水平軸式風車長長的扇葉,相對不占空間,甚至能做成各種美感十足的設計。這幾個優點讓它特別適合設置在都會區中,用來捕捉方向不固定的小規模氣流,因此台灣有些地方就可以看到這種以垂直風力供電的路燈。

垂直軸風機葉片的型態多樣且美觀。圖/PanSci YouTube

不過城市內的風畢竟還是有限,為路燈或是小型家電發發電可以,但要能成為支撐整個城市的電力,還不及海上那些水平軸式巨無霸。在外海,不僅可以設置葉片長度超過 100 公尺的巨型風機,外海的風能,就是比內陸強烈且穩定。但這些巨無霸雖然會為我們帶來戰力,也會波及無辜。雖然風機遠離人類居住的地方,但外海還是有其他原始住民的,短暫地把人類的文明,建立在其他物種的痛苦之上 最後還是會害到整體。然而,巨大風機施工和運轉的噪音會干擾到海中生物,扇葉旋轉還會擊落蝙蝠和鳥類。雖然我們在上一集,有提到可以透過驅離或是扇葉塗黑的方式,讓其他生物注意到風機的存在,進而減少誤傷。但我們有沒有全新的設計,可以一勞永逸?

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風力發電還能長什麼樣?

面對目前風力發電的困境,有人重新思考風力發電的構造,提出全新的設計。其中一種便是漂浮式的離岸風電機組。

我們為了獲得更多風能,近年來積極發展離岸風電廠,作法非常簡單,就是把原本在陸地上的風電整根插到海床上。這光想起來就是非常浩大的工程曠日廢時,而且成本高,施工過程中產生的水底噪音也會影響到海洋生態。

可是海上的風就是比陸地上強上好幾倍,這麼香的風力來源怎麼能放著不用呢?來自挪威的公司 World Wide Wind 提出了一種浮標式風電機組,省去了海底工程的麻煩。這種風電機組採用垂直軸的設計,這樣機組就不會被海風吹著跑。整個裝置可以靠著海面下的配重平衡地直立在海面上,除了電纜之外不須要任何固定措施。這大大地擴展了離岸風電的發展空間。許多最佳的風場位在離岸較遠的深海區域,我們沒辦法在這些海床上豎立巨大的水平軸風車,這時候就可以透過漂浮式構造來擴張風電的勢力範圍。

反轉式直立渦輪(COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES)。圖/World Wide Wind

不只如此,最特別的是,它是以兩組旋轉方向相反的葉片組成,因此被取名為反轉式直立渦輪(COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES)。這麼做不只可以讓旋轉時更加穩定,還可以增加發電效率。由於發電用的渦輪是透過兩組扇葉之間的相對旋轉來發電,所以反向旋轉就像是用雙手擰毛巾一樣,等於收集到幾乎兩倍的能量。而且因為上下兩組扇葉所接收的風來自水平方向,所以彼此干擾並不大,展現了垂直軸風電的獨特優勢。一般的水平軸風車可沒有辦法玩這套,因為風在流過第一組葉片之後就會變成速度較慢的亂流。

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垂直軸提供了新選擇,但只要有軸,發電機就是會旋轉,還是有機會擊落海面上飛行的生物。如果要不傷及鳥類,看來……只能讓風機不旋轉了嗎?等一下,風機不旋轉還能發電嗎?誒,還真有可能。一家西班牙的新創能源公司 Vortex Bladeless 在幾年前開發出了全新的「渦流」發電技術,就是這根抖動的棒子。

不要懷疑,這個像搖頭娃娃一樣左右震動的棒子是一種完全不需要扇葉的渦流震動發電機。奇怪了,為什麼風吹會造成這種震動呢?原來當有空氣流經過圓柱狀的物體時,會在後方形成不穩定的渦流,讓物體產生左右震動的現象。如果振動頻率剛好和物體的自然頻率接近,便會產生出乎意料的強大共振。1940 年代,有座位在美國的塔科馬海峽吊橋,就是因為氣流共振導致扭曲斷裂,所幸最後無人傷亡。這個威力強大的現象如今也被拿來進行發電。

塔科馬海峽吊橋與氣流共振。

而這根風力發電棒的尺寸和材質,都經過特別設計來和渦流產生共振。它的上半部可以自由的晃動,位於底部的磁鐵和線圈接著可以將震動轉換為電能。這種設計不只看起來很有趣,產生的噪音也小很多,還能減少對鳥類的威脅。甚至因為沒有快速轉動的葉片,也能設置在靠近人群的都市環境中。目前一根約三公尺高的裝置,在有風的情況下可以產生一百瓦的電力。想像一下,只要把高速公路分隔島上排滿這種震動發電機,就能產生很可觀的電能。對了 這就像一個人訂閱泛科學看似影響不大,但如果每個人都同時按下訂閱泛科學,就能給我們莫大的支持與力量,麻煩各位了,跟我們一起共振吧!

話說回來,這種振動發電的轉換效率終究是比渦輪旋轉發電低,能夠捕獲的風量也較少。它的競爭優勢則在於較低的建造和維護成本,或許適合和太陽能互補為住家和都市地區提供電能。此技術已經在多年前證明可行,但目前在設計與量產方面仍處於開發階段,還須要更多的時間和資金才有辦法進入大規模生產。

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講完了海上與陸地上的風機,最後,既然要靠風發電,那麼風能最豐沛的高空,能不能也來發電一下呢?

高空的發電量會更高嗎?

最早在 2014 年就有 Altaeros Energies 這家公司嘗試這個做法。他們將風電機組裝在氦氣的飛船中央,放到離地表三百到六百公尺的高空。在這高度的風速比地表快上兩倍左右,由於風能正比於風速的三次方,所以風能是地面的八倍。這些風能會在高空就轉為電能,之後透過纜線傳回地上。除了電纜以外,也會有幾條固定纜線可讓地面人員控制氣球的高度與方向。

圖/Altaeros Energies

除了用氦氣球搭載發電機外,也有一些設計是透過風箏來將小型風電機組放到空中,形成隨到隨用的風力發電裝置。不過可以想像的是,雖然高空發電可以節省地面空間,還能取得豐沛的風能。但不論是汽球還是風箏,在維護上肯定需要投入更多的成本。如果要大規模設置,對於鳥類或是飛安的影響又是另外一個問題。目前,這些浮空風電裝置最大的優勢是它們絕佳的機動性,可以為遠離電網的偏遠地區,或是臨時性的研究站提供電力。又或是如果在大型演唱會的上空放一顆風力發電氣球來為活動供電,那好像也是挺浪漫的。

圖/wikimedia

雖然今天講到那麼多有創意的設計,但大多數的新創能源公司,都會因為現實上的競爭力不足而永遠停留在模型階段,還無法進入商業化生產。短期內的風力能源,還是得靠興建更多岸上和離岸的大型風電機組來扛起。不過,未來再生能源的需求只會持續地增加,我們確實需要有更多新想法、新設計,尤其是能廣泛設置,同時對環境影響低的新型態發電方式。而隨著材料科學的進步,當這些新設計的成本下降,我們就有機會在生活周遭看到它。

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最後也想請大家預測一下,20 年後風力發電的主力會是哪一種裝置呢?

  1. 漂在海面上的反轉式直立渦輪,感覺技術成熟後,施工成本可以降到很低
  2. 渦流震動發電棒,對環境傷害小,又不挑地方到處都能設置,積少成多
  3. 大型水平軸風機技術還是最成熟 成本也不斷破底,估計還是發電主力

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參考資料

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