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「恆水創電」聯手比利時 Turbulent 研發超低落差機組——力拼「微水力發電」扎根台灣!

PanSci_96
・2021/12/09 ・1788字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • 本文依據 恆水創電 110 年 12 月 9 日新聞稿 改寫

文/郭椀濘、李先泰

為了地球的永續發展,台灣已將 2050 年淨零碳排列為重要政策目標,行政院也擬於2022年初提出路徑草案,檢討整體能源政策;為了實現淨零碳排目標,能源新創企業「恆水創電」9日與比利時台北辦事處共同舉辦記者會,發表與比利時水輪機製造商 TURBULENT 共同研發的超低落差機組「Turbulent S」,該機組針對台灣水利環境設計,只要 1.28m 超低落差即可發電,有助於微水力發電在台扎根。

比利時台北辦事處處長文浩德 Frédéric VERHEYDEN 致詞指出,比利時綠能產業擁有許多領先技術,為潔淨能源的先驅,是台灣發展能源最理想的合作夥伴,與台灣離岸風電領域已有深入合作,十分樂見 TURBULENT 與恆水創電在嶄新領域攜手共進,「台比合作將發展美好且綠化的台灣,為全球的淨零願景貢獻心力。」

恆水創電股份有限公司創辦人兼執行長鄒飛逯表示,推動「水利建設內建發電」是恆水創電的企業使命。他強調,台灣具有得天獨厚的水力發電條件,不但水力豐沛,地勢更是山高水急。然而,在河川渠道中卻有許多緩解水流力道的消能設施(如消波塊),以小水力發電的觀點來看相當可惜。

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比利時水輪機製造商TURBULENT於智利架設的機組。圖/恆水創電提供

鄒飛逯指出,若運用發電機組取代消能設施,用水流動能發電,就能使消能設施創造能量,既可兼顧設施安全,又能創造最乾淨的綠能,堪稱一舉數得,而這也是恆水創電的初衷。鄒飛逯強調:「思維轉個彎,水利基礎建設就是小電廠,每一滴水都能發好幾次電!」

針對 TURBULENT 機組的技術優勢,鄒飛逯指出,TURBULENT 垂直渦流水輪機的特色是韌性極強且應用場域廣泛。強韌的葉片讓機組不怕垃圾及泥沙堵塞(以Turbulent S為例,可容納直徑 25cm 的物體通過),一體成型的設計亦可抗震;若遇到強風豪雨導致河川水位暴漲,也有對應的斷電機制,讓發電機組自動跳離電網,在條件嚴苛的場域中仍可穩定運作。

鄒飛逯也說,TURBULENT 的機組體積小且易於施作,可與水利設施合為一體,多元發展性高。更關鍵的是,機組的設計也讓河道中的生物能無害通過葉片,可兼顧生態友善:「頂多讓通過的生物感到暈眩,但不會造成傷害。」

https://www.youtube.com/watch?v=D-v1DEJ3cVs&ab_channel=Hydrotron
資料來源/恆水創電

而為徹底運用台灣的水力潛能,恆水創電與TURBULENT整合雙方專業,經過兩年場域資料蒐集及田野調查,為台灣水力環境量身設計 Turbulent S超低落差小水力發電機組,為台灣打造最佳化機組。

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Turbulent S可應用於台灣多數水力環境中,因其有效落差高度僅1.28m,所需流量為2cms (每秒2立方米),無論在灌溉溝渠跌水工、自然河川、淨水與汙水處理廠、給排水、水保設施等場域,都有極大發揮空間,讓鄒飛逯喊出「一落差一機組,一渠道一電廠」的綠能願景。

Turbulent S 的機組構面圖。圖/恆水創電提供

為推動台灣小水力產業發展,恆水創電與TURBULENT已簽訂合作備忘錄,授權Turbulent S機組國產化,比照風電模式在台灣落地生產。

恆水創電總經理廖弘毅指出,Turbulent S國產化不僅有助提升產業技術,更可確保長期料件供應與技術服務。「作為生命週期20至30年的基礎建設,國產化將能確保小水力發電在台灣長久發展、穩定維運;」廖弘毅總結,「這將是小水力發電在台灣遍地開花的重要一步!」

今日恆水創電也正式與台灣小水力綠能產業聯盟簽約入會,強調日後將會有緊密合作。對此聯盟洪正中理事長表示:「小水力發電是最環保再生能源,為對環境最友善的發電方式,小水力為台灣再生能源第三棒,聯盟與恆水創電公司將會持續為再生能源努力。」

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恆水創電9日與台灣小水力綠能產業聯盟簽約入會;左為恆水創電執行長鄒飛逯、右為台灣小水力綠能產業聯盟理事長洪正中。圖/李先泰攝

2021.12.12 PM 0:24 更新:原版本文中之「水頭」為英文 Hydraulic Head 之意,為單位重量液體通過泵所獲得的能量,單位為公尺(m)。為便於理解,改為「落差」。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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減碳新招:二氧化碳再利用!光觸媒材料可以把二氧化碳還原成工業化學原料?——專訪中研院原分所陳貴賢特聘研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/11/03 ・5793字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|簡克志
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

降低碳排還不夠,奈米材料幫你直接減少二氧化碳!

氣候變遷問題日益嚴重,2023 年 9 月成為全球有史以來最熱的月份,臺灣夏天飆破 38 ℃ 的頻率逐漸增加。為了避免地表升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,世界各國訂出 2050 年淨零排放的目標,設法減少大氣中的溫室氣體。減碳解方除了低碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一條路徑。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所陳貴賢特聘研究員,他的研究專長是奈米能源材料,我們將介紹一種複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),在太陽光照射下,此材料表面發生的氧化還原反應,會將二氧化碳還原成有用的工業化學原料!

為了避免全球升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,我們需要減少碳排放與開發負碳技術,並盡量在 2050 年左右達到全球溫室氣體淨零排放量的目標。所謂的「工業化前水準」是指 1850-1900 年的平均溫度。
圖|iStock

地球「保冷」計畫——減碳是關鍵

我們每天排放多少二氧化碳?根據 Our World in Data 的人均二氧化碳排放數據,2021 年全球每人排放的二氧化碳為 4.69 噸,而燃燒 1 公升的汽油大概會產生 2.3 公斤的二氧化碳。換算一下,每人每天排放二氧化碳約為 12.8 公斤,相當於每人每天消耗 5.6 公升的汽油!

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的特別報告「全球暖化 1.5 ℃」,人類活動排放的溫室氣體,已經讓地球表面平均溫度上升了 1 ℃。若以人類目前經濟模式發展下去,碳排放量可預期將不斷上升,大量溫室氣體將讓暖化現象與極端天氣事件更加劇。

氣候科學家警示,地球表面平均溫度需控制在 +1.5 ℃ 以內 註 1,否則將有不可逆的後果,例如生物多樣性大幅度降低的風險。因此,世界各國有了 2050 年淨零排放的共同目標,並不是說都不排碳了,而是要設法讓溫室氣體的碳排放量和碳減少量相互抵消,達到「淨零」的目標。

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要達到淨零的目標,除了尋找與開發減碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一個方法。想像一下,如果可以像植物一樣,只要照太陽光,就把二氧化碳變成有價值的碳氫化合物,聽起來不錯吧?但是二氧化碳做為燃燒後的產物已相當穩定,要如何以人工方式讓二氧化碳再次參與反應?

我們可運用「陽光」與「光催化材料」(又稱光觸媒,photocatalyst),不僅可以減碳,還能產生有價值的碳氫化合物,是一種「一舉兩得」的方法!

光觸媒(光催化)材料是什麼?

在談到光催化材料之前,先複習一下「催化劑」這個概念,催化劑不參與化學反應,但是它讓原先不可能的化學反應變得可行!陳貴賢分享,這就像過去從臺北到宜蘭需要翻過雪山,經過九彎十八拐的北宜公路;但如今有了「雪山隧道」之後,就大大降低臺北到宜蘭的時間與難度。「雪山隧道」就是臺北通往宜蘭的催化劑。

除此之外,催化劑也可以說是推進人類歷史發展的重要角色!在過去,農作物施肥只有天然氮肥可以使用,產量有限。而肥料意味著糧食增加與生產力增加,《巫師與先知》這本書就提到位於秘魯的鳥糞島嶼成為各家跨國公司必爭之地。另一方面,波斯人也在各地建造供鳥類休息的高塔,用來收集當肥料用的鳥糞。

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到了近代,陳貴賢提到在 20 世紀初,德國科學家哈伯(Fritz Haber)透過催化劑,在高溫高壓的條件下,以鐵粉做為催化劑,讓氮氣和氫氣轉換成氨。這讓人工固氮成為可能,人類不用再依賴緩慢的生物固氮反應就可以合成化學氮肥,農作物產量也大幅提昇。

本文主角「光催化材料」,顧名思義就是協助光化學反應的催化劑,但光催化材料與一般催化劑不同的地方在於,其化學反應通常發生在固態的表面環境,目標反應物、光子和電子都有參與反應。

比起光催化材料,你可能更常聽到它的同義詞「光觸媒」,例如某某產品宣稱具有「奈米光觸媒消毒」的功能,其實就是照射足夠的光,讓材料表面的氧化還原反應把細菌分解。而之所以光觸媒需要做到奈米尺寸,這是因為奈米小顆粒可以改變物質的電子能量結構,且大幅增加反應的表面積,讓光催化反應更有效率。

陳貴賢:「一個高表面積的奈米粉末,它的表面積可能是薄膜的一萬倍,甚至於十萬倍。」

給你電子,還你原形!光催化材料上的氧化還原反應是怎麼發生的?

光催化材料之所以能夠減少二氧化碳,是因為照光後材料表面發生「氧化還原反應」,氧化反應會失去電子,還原反應會得到電子。陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),可以讓二氧化碳還原成甲醇(CH3OH)和乙醛(CH3CHO),這兩種產物都是工業常用的化學原料。反應式如下:

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要持續減少二氧化碳,就要持續發生上述還原反應,持續供給電子。不過,我們要怎麼讓電子快速又順利的補充到材料表面?這裡就開始涉及到半導體的核心問題:電子與電洞的產生、分離和傳輸

陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:ZnS/ZIS,是結合兩種奈米半導體材料,透過水熱法合成,將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,形成 0D-2D 結構的 ZnS/ZIS 複合物,就像製作巧克力豆餅乾,不過要複雜得多。

陳貴賢團隊將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,就好像做巧克力豆餅乾一樣,形成複合的異質半導體,做為光催化材料用途。左圖是示意圖,右圖是電子顯微鏡下的照片,Zn:In 比例為 1:0.46。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

既然 ZnS/ZIS 是半導體,當受到光照之後,原來的價帶(valence band)電子會被光激發成導帶(conduction band)電子,原本價帶電子佔據的位置則留下一個空位,就是電洞。電子和電洞的遷移,就是半導體形成電流的原因,因此電子和電洞都稱為「載子」(charge carrier)

還記得上面的還原反應嗎?

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對光催化材料來說,為了在光照環境下把二氧化碳還原成乙醛和甲醇,必須獲得穩定的電子來源,材料內部要迅速補充電子到表面,因此:

照光產生的電荷載子數量越多越好;產生的電子和電洞要傾向分離,分得越遠越好;電子和電洞越快移動到表面參與反應越好。

載子輸送要快速穩定,首先照光產生的載子要多,就有更多電子和電洞參與反應。分離載子是為了避免復合,照光產生的電子和電洞很容易復合,一旦復合,等同於減少載子。再來是載子越快移動到表面越好,可以讓每次的氧化還原反應都是最佳效率。

尋找最有效的光催化材料

陳貴賢團隊總共做了 4 種不同比例的 ZnS/ZIS 光催化材料,依照 Zn:In 比例 1:0.12、1:0.26、1:0.46 和 1:0.99,分別標記為 ZnS/ZIS-1、ZnS/ZIS-2、ZnS/ZIS-3 和 ZnS/ZIS-4。其中,ZnS/ZIS-3 的光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇(如下圖)。

水熱法製備的 ZnS/ZIS-3 光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇。最右邊是將 ZnS 和 ZIS 簡單物理混合的對照組,沒有介面效應的輔助,催化效果不佳。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為了驗證光催化材料產生有效載子的效率,陳貴賢團隊計算了 ZnS/ZIS-3 的總 AEQ 值(apparent quantum efficiency),用來評估「照到光催化材料上的每顆光子數量,產生了多少實際參與催化反應的電子數」。測量之後,ZnS/ZIS-3 的 AEQ 值為 0.8%,量子效率比單獨的 ZnS 材料提高了將近 200 倍!

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這也是為什麼陳貴賢團隊要使用兩種不同的材料結合,因為單一半導體材料照光產生的電子和電洞有很高的復合機率,選擇兩種不同的半導體材料組合,讓兩種材料形成特殊的「能量階梯」就可以有效分離電子和電洞,並且把電子送到它該去的材料表面。

此外,使用兩種半導體材料的好處還有「二次激發電子到更高能階」,以符合光催化反應的能量門檻,自由電子掙脫 ZnS 的束縛之後,繼續往 ZIS 跑,光的能量會繼續把電子往上送到更高能級的材料表面,還原二氧化碳的反應在此發生。

Z 字形跑比較快!控制材料之間的微應變提升氧化還原效率

關於光催化材料的二次激發,陳貴賢提到:「材料低能階,然後光子進來後,把電子激發到高能階去做反應,太陽能電池也是這樣。但是呢,有時候沒那麼剛好,例如激發後的能階不夠高,雖然激發上去了,但電子沒有辦法跟二氧化碳做反應。那我把兩個材料拼在一起,電子上去以後又下來,然後再吸收第二個光子上去,那就變得很高了,高了以後它的反應效率就提升很多。」

如果我們把光催化材料的二次激發過程畫成示意圖,如下圖所示,電子在 ZnS 束縛區受到第一次光子的激發,變成自由電子,接著經過設計完善的材料介面,先降到較低的 ZIS 束縛區,受到第二次光子的激發,再次變成自由電子,跑到光催化材料的表面,和二氧化碳發生還原反應,將二氧化碳變成可再利用的乙醛和甲醇。

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看看電子走過的路,如果向左歪著頭看,是不是就是一個 Z 字呢?科學家把這個過程稱為「直接 Z 方案」(Direct Z-scheme)。「直接」的意思是,電子從 ZnS 跑到 ZIS 的過程,不需要再經過一個中間地帶,降低電子和電洞復合的機會。

為了將二氧化碳轉換成可用化學原料,電子在材料內部能階走 Z 字路徑,過程中受到光的二次激發,最後到達材料表面。電子參與還原反應,將二氧化碳變成乙醛和甲醇。電洞參與氧化反應,將水變成氧氣。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為什麼陳貴賢團隊設計的「直接 Z 方案」光催化材料,電子可以不需要中間的「轉接站」,直接轉移到另一個材料上呢?這裡也有一個巧思:不同材料之間的「微應變」

不同材料的晶體排列規律是不一樣的,當兩種材料接在一起時,接面處會發生「晶格不匹配」,也就是兩種材料的原子會互相卡到、晶格微微變形。但是,如果我們可以控制微應變(Strain)的程度,就可以控制兩種材料「能量階梯」的相對位置,微應變可以讓材料接面自動帶有「轉接站」的功能,進而形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。

總之,陳貴賢團隊開發的這套材料組合,是有微應變誘導的直接 Z 方案光催化材料,可做為未來量產光催化材料的研發設計參考,同時也是減碳的解方之一。

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ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy
ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

綠能趨勢——光催化材料未來可期

陳貴賢表示,目前表面科學和材料是中研院原分所的主要研究領域,他的實驗室選擇能源材料作為研究主軸,有太陽能電池和熱電材料,同時團隊也專注研究可還原二氧化碳的光催化材料,以及與燃料電池相關的催化劑。

陳貴賢看好將來能源材料的發展,因為在 2050 淨零排放之前,有愈來愈多企業紛紛加入「RE100 倡議」的行列,企業必須承諾最晚於 2030 年前使用 100% 再生能源。最著名案例是科技巨頭蘋果Google 和微軟等公司都已宣布其全球供應鏈將符合 RE100 的要求。其中,台積電為蘋果主要供應商,2020 年也加入 RE100,目前為臺灣再生能源的主要買家

可以預見,將來風能、太陽能與燃料電池的相關材料有其市場需求,而能夠減少二氧化碳的光催化材料,也將成為全球減碳的利器。陳貴賢提到,當前光催化材料還在基礎研究階段,目前的人工光合作用效率約 1%,接近大自然效率,而團隊希望提升到至少 5% 到 10% 以上,方能有其實用價值。

陳貴賢進一步強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值,不僅轉化後的燃料可以賣錢,處置二氧化碳原料亦可以收取負碳費用,是一種前所未有的概念。

陳貴賢強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值。
圖|研之有物

註解

  1. 根據 IPCC 的資料,如果要將全球暖化幅度控制在 +1.5 °C 以內,必須在 2050 年左右達到二氧化碳的淨零排放目標,同時也要大幅度降低非二氧化碳的溫室氣體排放,特別是甲烷。
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比爾蓋茲的親筆揭露:淨零轉型應該何去何從?——《如何避免氣候災難》
天下雜誌出版_96
・2023/03/31 ・1271字 ・閱讀時間約 2 分鐘

2020 年迎來一場災難,一種新型冠狀病毒在全世界傳播開來。任何略知流行病史的人,應該都不會對新冠病毒造成的嚴重疫情感到太意外。我極為關注全球衛生問題,從多年前就開始研究疾病的爆發,一直很擔憂全球還沒準備好應付像 1918 年流感那樣的疾病大流行;那場大流行病造成幾千萬人死亡。我在 2015 年發表過一場 TED 演講,同時在幾次採訪中,也提出我們需要建立一個檢測和應對疾病大規模爆發的系統。

遺憾的是,全球還是沒有做好準備。當新冠病毒爆發,疫情造成巨大的人命損失,以及自大蕭條以來最嚴重的經濟痛苦。

付出高昂代價換來的 4.5% 減幅

由於經濟活動大幅衰減,2020 年全球的溫室氣體排放量比前一年少。減幅大約是 4.5% ,這是有效的減幅,假如溫室氣體排放量每年都能保持這樣的降幅,我們就可以高枕無憂了。

很可惜,這是不可能的事。

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想一想,我們付出了多少代價才有這 4.5% 的減幅:全球有上百萬人死亡,幾千萬人失業。沒有人希望疫情持續下去,更別說重來一遍。疫情使溫室氣體排放量下降,我感到驚訝的不是降這麼多,而是怎麼降這麼少。

這一點點減幅證明了我們不能光靠少搭飛機、少開車來達到零排放,甚至就連那些被我們視為減少排放的主要途徑,效果都十分有限。

由於經濟活動大幅衰減,2020 年全球的溫室氣體排放量比前一年少,減幅大約是 4.5%(示意圖)。圖/envatoelements

我的思維比較像工程師,不是政治人物,所以也不知該如何解決氣候變遷的政治問題,特別是在美國,氣候變遷的討論已經被政治綁架。能做的只是把討論重點放在該怎麼達到零排放:我們必須傾全世界之力、投入全人類的科學頭腦,讓現有的清潔能源方案能被有效運用,同時發明新技術,以徹底停止排放溫室氣體到大氣中。

關鍵在清潔能源如何變得便宜又穩定

我的碳足跡實在高得離譜。多年來,我一直對此感到內疚。由於寫這本書,更加意識到自己有責任減碳。身為憂心氣候變遷、公開呼籲大家攜手對抗的一份子,減少個人碳足跡是最基本該做到的事。

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我從 2020 年開始購買永續航空燃料,預計到 2021 年就會完全抵銷我和家人搭飛機所造成的碳足跡。至於其他方面,我也投資零碳技術,希望這也算是我個人碳足跡的補償,前後已經投入超過 10 億美元,但願這些技術最終能幫助全球實現零排放,研發出穩定而人人負擔得起的清潔能源。

儘管像我這樣的重度排碳者應該減少能源用量,全球整體其實應該使用更多由能源提供的產品和服務,只要是零碳能源,消耗更多能源就不是問題。解決氣候變遷問題的關鍵,就是使清潔能源和化石燃料一樣便宜和穩定。

——本文摘自《如何避免氣候災難:結合科技與商業的奇蹟,全面啟動淨零轉型新經濟》,2023 年 3 月,天下雜誌出版,未經同意請勿轉載。

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天下雜誌出版_96
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「恆水創電」聯手比利時 Turbulent 研發超低落差機組——力拼「微水力發電」扎根台灣!
PanSci_96
・2021/12/09 ・1788字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • 本文依據 恆水創電 110 年 12 月 9 日新聞稿 改寫

文/郭椀濘、李先泰

為了地球的永續發展,台灣已將 2050 年淨零碳排列為重要政策目標,行政院也擬於2022年初提出路徑草案,檢討整體能源政策;為了實現淨零碳排目標,能源新創企業「恆水創電」9日與比利時台北辦事處共同舉辦記者會,發表與比利時水輪機製造商 TURBULENT 共同研發的超低落差機組「Turbulent S」,該機組針對台灣水利環境設計,只要 1.28m 超低落差即可發電,有助於微水力發電在台扎根。

比利時台北辦事處處長文浩德 Frédéric VERHEYDEN 致詞指出,比利時綠能產業擁有許多領先技術,為潔淨能源的先驅,是台灣發展能源最理想的合作夥伴,與台灣離岸風電領域已有深入合作,十分樂見 TURBULENT 與恆水創電在嶄新領域攜手共進,「台比合作將發展美好且綠化的台灣,為全球的淨零願景貢獻心力。」

恆水創電股份有限公司創辦人兼執行長鄒飛逯表示,推動「水利建設內建發電」是恆水創電的企業使命。他強調,台灣具有得天獨厚的水力發電條件,不但水力豐沛,地勢更是山高水急。然而,在河川渠道中卻有許多緩解水流力道的消能設施(如消波塊),以小水力發電的觀點來看相當可惜。

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比利時水輪機製造商TURBULENT於智利架設的機組。圖/恆水創電提供

鄒飛逯指出,若運用發電機組取代消能設施,用水流動能發電,就能使消能設施創造能量,既可兼顧設施安全,又能創造最乾淨的綠能,堪稱一舉數得,而這也是恆水創電的初衷。鄒飛逯強調:「思維轉個彎,水利基礎建設就是小電廠,每一滴水都能發好幾次電!」

針對 TURBULENT 機組的技術優勢,鄒飛逯指出,TURBULENT 垂直渦流水輪機的特色是韌性極強且應用場域廣泛。強韌的葉片讓機組不怕垃圾及泥沙堵塞(以Turbulent S為例,可容納直徑 25cm 的物體通過),一體成型的設計亦可抗震;若遇到強風豪雨導致河川水位暴漲,也有對應的斷電機制,讓發電機組自動跳離電網,在條件嚴苛的場域中仍可穩定運作。

鄒飛逯也說,TURBULENT 的機組體積小且易於施作,可與水利設施合為一體,多元發展性高。更關鍵的是,機組的設計也讓河道中的生物能無害通過葉片,可兼顧生態友善:「頂多讓通過的生物感到暈眩,但不會造成傷害。」

https://www.youtube.com/watch?v=D-v1DEJ3cVs&ab_channel=Hydrotron
資料來源/恆水創電

而為徹底運用台灣的水力潛能,恆水創電與TURBULENT整合雙方專業,經過兩年場域資料蒐集及田野調查,為台灣水力環境量身設計 Turbulent S超低落差小水力發電機組,為台灣打造最佳化機組。

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Turbulent S可應用於台灣多數水力環境中,因其有效落差高度僅1.28m,所需流量為2cms (每秒2立方米),無論在灌溉溝渠跌水工、自然河川、淨水與汙水處理廠、給排水、水保設施等場域,都有極大發揮空間,讓鄒飛逯喊出「一落差一機組,一渠道一電廠」的綠能願景。

Turbulent S 的機組構面圖。圖/恆水創電提供

為推動台灣小水力產業發展,恆水創電與TURBULENT已簽訂合作備忘錄,授權Turbulent S機組國產化,比照風電模式在台灣落地生產。

恆水創電總經理廖弘毅指出,Turbulent S國產化不僅有助提升產業技術,更可確保長期料件供應與技術服務。「作為生命週期20至30年的基礎建設,國產化將能確保小水力發電在台灣長久發展、穩定維運;」廖弘毅總結,「這將是小水力發電在台灣遍地開花的重要一步!」

今日恆水創電也正式與台灣小水力綠能產業聯盟簽約入會,強調日後將會有緊密合作。對此聯盟洪正中理事長表示:「小水力發電是最環保再生能源,為對環境最友善的發電方式,小水力為台灣再生能源第三棒,聯盟與恆水創電公司將會持續為再生能源努力。」

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恆水創電9日與台灣小水力綠能產業聯盟簽約入會;左為恆水創電執行長鄒飛逯、右為台灣小水力綠能產業聯盟理事長洪正中。圖/李先泰攝

2021.12.12 PM 0:24 更新:原版本文中之「水頭」為英文 Hydraulic Head 之意,為單位重量液體通過泵所獲得的能量,單位為公尺(m)。為便於理解,改為「落差」。

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PanSci_96
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