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【記錄】M.I.C. x 民視「科學再發現」:能源 II

羅紹桀
・2014/08/11 ・4917字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 529 ・七年級

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「試論麻瓜為什麼要用電?」是霍格華滋麻瓜研究的必考考題,對於巫師來說,所謂的能源就是我們麻瓜社會用來代替魔法的東西,冷氣、電腦、智慧型手機,任何能行使神奇功能的東西都需要用到電,但當你在為你的智慧型魔杖充電的時候,你知道你的法力來源在哪裡,又為什麼有時候會失靈嗎?泛科學「M.I.C. x 民視科學再發現:能源 II」邀請到兩位講者,分別是工業技術研究院綠能所電能技術組的梁佩芳組長,還有財團法人船舶暨海洋產業研發中心海洋產業處的湛翔智工程師,談談能源的現在與未來。

淺談智慧電網

講者:梁佩芳|工業技術研究院 綠能所 電能技術組 組長

成功大學航空太空工程系博士,自1999年起在工研院服務,曾擔任航太中心/系統中心工程師/經理、能環所組務經理/副組長,現為能環所/綠能所組長,—主持能源局「智慧節能網路」至「智慧電網節能控制」系列計畫、—參與能源局「智慧型電表研究」及「智慧電網技術規劃研究」計畫,專長為綠色能源、電控系統。

電網是什麼?

電從哪裡來?電一定從電廠來的,電廠放電會用高壓送過來,因為這樣能量的流失才會比較少,有多高呢?大電廠出來是是三十四萬五千伏特,當然不能直接用,所以從電廠出來至少經過兩次電壓轉換會先經過一次變電站,電壓會低一點,又經過二次變電站,又再低一點,最後再送給不同的用戶,包括工廠、學校、家庭,進入家庭的通常還會經過一個桿上變壓器,因為家用電的電壓更低,比較大的單位貨大樓自己也有一個變電站,這就是電怎麼來的。

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我們為什麼稱之為電網呢?是因為從供應端到需求端是需要一個網路傳下來,有點像一個網子,而北中南的用電量並不相同,所以需求和電廠的的分佈是不一樣的,北部需要比較多的電,所以有時南部電廠還要送電上去,電網和水管送水很不一樣的地方就是,當需求大於供應時,電壓就會往下拉,電就會送不出去,電壓的供需不平衡時,設備會出問題甚至燒掉,所以電的供需必須要隨時保持平衡,水與瓦斯供需不平衡頂多水少用一點或瓦斯少用一點,但電力供需不平衡就會整個垮掉。這就是為什麼要談智慧電網,就是讓它夠聰明不會垮。

用電需求並非一成不變

我們的用電需求並非一成不變。梁組長舉了100年八月十八號當天的用電量表,最底下紅色是核能,綠色是燃煤電廠,這張圖清楚地表示一天當中使用電的供需一直在變化,但供需要平衡怎麼辦,電力公司就會不時開關電廠,台電幾乎幾分鐘就會調整一次電廠,因此及時地調度就是供需平衡中很重要的課題。

如何降低平均停電時間?

我們看電廠穩不穩,有一個參數叫SAIDI(平均停電時間)台灣平均年一戶20分鐘,韓國和我們差不多,新加坡電網比較小好管理是一分鐘,歐洲一個小時。美國則到四個小時。

但要怎麼降低平均停電時間呢?一般來講,終端的供應線我們叫饋線(舉澎湖為例)圖上綠色是某一個饋線,藍色也是一個饋線,上面有看到一個符號就是電力的開關,這兩個饋線的終端是接在一起的,也就是有些用戶可以從藍色的饋線得到電力供應,也可以從綠得的饋線獲得,但在操作時通常是斷開,這時如果藍色線中間斷了,如果輸配線自動化做得好,它知道藍色線斷了,很快就可以從綠色線那邊供應過來,停電區域就能縮小。所以台灣為什麼輸配電做得不錯,就是因為輸配電自動化做得不錯。

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智慧電網

智慧電網在談兩個新的概念,整合新元素和強化功能。

整合新元素的部分,比方說電動車、再生能源、智慧電表、智慧用戶;強化功能例如輸配電自動化的加強,或是提升效率。

下圖是智慧電網典型的示意圖,傳統的智慧電網被理解成樹狀的結構,智慧電網則是像是幾個環串在一起,我們會覺得它不再是傳統一路上送下來,這個電網上有很多地方可以供電,電從哪裡流到哪裡不一定,所以有很多個環,圖中看到的小環表示環內電力可以獨立運作,我們稱它為「微電網」,如果其它電網掛掉的時候它們可以持續供電。智慧電網中有一些新的元素如再生能源、電動車等等,這些是缺乏智慧的電網比較難管理的能源。

梁佩芳:淺談智慧電網 - YouTube (4)

再生能源

再生能源現在看到比較多的是風力發電機或是太陽光電。但再生能源事實上是相對不穩定的能源,為什麼呢?下圖是在加拿大的某五個風機出力變化圖五天的變化。

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梁佩芳:淺談智慧電網 - YouTube

我們可以看到每天的發電量變化不斷,我們可以看到,有些時候幾乎是罷工,有時只有一半的工作量,這代表我們很難控制它們的工作量,有風就有風,沒有風就沒有,風太大的時候也不能轉。舉台灣海峽為例,一年8640小時,台灣海峽滿發時數約4000小時,換句話說,它有一半的時間不太夠力或根本不轉。

太陽光電更慘,舉台灣南部的太陽光電廠為例,平均一天只有四個小時在發電,也就是只有六分之一的時間在發電。

所以再生能源目前有兩個主要的問題:1.長時間的不輸出2.短時間的不穩定

這就是為什麼我們還是需要火力發電廠和核能,我們需要備一些可控的電廠,舉火電廠為例,火電廠滿發時數是可控的,要整年在燒就整年燒,再生能源只有少數是可控的如地熱,但風力和太陽能就是典型不可控的再生能源。

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智慧電表系統

智慧電網的電可能來自不同的來源,用戶我們都視為可以調度的,有時候叫用戶少用一點,有時叫用戶多用一點,但我們怎麼控制用戶,就要有一個溝通的管道,我們必須知道用戶有沒有在用電、用了多少,所以我們需要智慧電表的系統,讓用戶與電力公司雙向溝通,概念很簡單,就是家裡裝一個智慧電表,透過網路送回電力公司,就這樣,台電已經針對高壓用戶做了智慧電表。

智慧電表有什麼好處呢?我們可以利用智慧電表的資訊試圖阻止用電尖峰的產生,例如一些尖峰電價的措施,可能的操作的方式有三種:志願性、競標、直接控制。

志願性:電力公司可能說明天需要大家配合少用點電,可以配合的就上網去登記,可以做願意做的就上去登記,因為有智慧電表所以電力公司會知道你是不是真的有少用電,有真的做的人就能得到獎勵。

競標:比方說電不夠了,那下一個時段省一度電就給你十塊,有沒有人要?如果願意節電的人不夠,那就十五塊?再看看有多少人。

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直接控制:例如和電力公司簽約之後,你家冷氣機就被直接控制了,如果電力不夠就直接把你的冷氣切掉。

總結

沒有能源是沒有成本的,風力發電也會影響到白海豚,太陽光板晶片的製造過程也會有汙染,所以最好的解套方法還是節省用電,而在使用再生能源時,傳統電力也不可能不備著,只是要備多少的問題。電網的「智慧」表現在我們資料的收集和決策的智慧上。

從臺灣探索地球內太空,海洋技術發展機會

講者:湛翔智|財團法人船舶暨海洋產業研發中心 海洋產業處 工程師

大學畢業前,開始對海洋科技產生興趣,碩士班就讀國立中山大學海下技術研究所,博士班就讀國立臺灣大學工程科學及海洋工程學研究所,從此展開探索地球的內太空—「海洋」。在2007年取得博士學位後,開始從事海洋科學與聲納技術的研究工作,在2012年至財團法人船舶暨海洋產業研發中心服務,開發離岸產業必備的海洋系統和水下技術。

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湛翔智:從臺灣探索地球內太空,海洋技術發展機會 - YouTube (2)

海洋的重要性

當我們去探索海洋的環境、資源的時候,我們很習慣把它形容是地球的內太空,所以今天的這個題目定為:「從臺灣探索地球內太空,海洋技術發展機會」關於海洋的重要性,和能源與資源有關的議題我們分成幾個點來介紹:

漁業:因為過去對於食物上的需求,有過漁(過度捕魚)的現象,因為過漁現象導致我們現在淺海抓不到魚,現在我們吃的魚大多是人工飼養或遠洋漁業,這是資源失衡的現象之一。

船運:在台灣的船運是很明顯的經濟價值,談到能源我們知道台灣百分之九十的能源從船運而來,包含石油、天然氣等等,所以談到能源和糧食,台灣船運是屬於不可或缺的一環。

製造氧氣吸收二氧化碳:海中浮游物種製造地球超過一半的氧氣,吸收二氧化碳。

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調節溫度:海洋可調節溫度,減緩氣候的變化。

水循環:海水為水循環中的一部分。

海洋的探測技術與面臨的問題

湛翔智:從臺灣探索地球內太空,海洋技術發展機會 - YouTube

在海洋中不同深度的探測,你所使用的載具和探測的工具是不同的,也要面對不同的問題,列舉如下:

水壓:每潛十公尺水深增加一大氣壓。

電力供應:海中的系統電力供應非常有限,只能靠船上的電纜送電到海面下或是靠本身載具的電池,需要足夠的電力下去又上來。

通訊:電磁波在水下難以到達,比須使用水下聲波作探測,但聲波和電磁波的傳輸速度差很大,所以資訊的速度和量都比較少。

海洋浮標

海洋浮標是一種現代化的海洋觀測設施,它浮於海面上並錨定在指定位置,用來收集海洋環境資料,並能實現數據的自動採集、自動標示和自動發送,它提供給船隻在進出港時安全的訊息,例如風浪過大時不宜進出港口。

大型海洋觀測站

美國布放相當多海洋觀測站,因為美國冷戰時期在海灣設置許多監聽潛艦的聲納系統,冷戰結束後就轉換成海洋觀測站,可以搜集很多海洋裡的資訊包含海流、溫度變化、海中植物等等,所以這些系統的再利用也產生了更多的海洋研究的議題,這樣的系統後來在歐洲發展出更龐大的系統,因為歐盟所訂出來對環境保護的規章遠勝於美國,台灣交通部建設局也有一套,在早期他們的規劃是希望監測東部海嘯的海底地震和海嘯,所以是科學研究旱防災建設的用途。

海洋技術發展機會

在海洋中最大的能源來自於鑽油平台,因為陸地上的石油大多已經挖乾了,所以轉而在海上挖石油,現在全世界有一些很大的鑽油平台,包括美國墨西哥灣、巴西、歐洲北海都有很大的海上油田,這些油田都需要很多的海洋技術,為什麼他們肯投入這麼多的資金做海洋技術呢?因為鑽油平台只要不鑽油幾天,他們就會損失龐大,因為鑽油是不能停的,如果有意外會慘賠,所以寧可投資更多海洋技術確保海上的鑽油平台是安全的。

再生能源的部分則要講到海上離岸風電,下圖所示是全球離岸風電的統計資料:

湛翔智:從臺灣探索地球內太空,海洋技術發展機會 - YouTube (1)

顏色綠色到深藍色的變化代表風速的大小,風速大小代表能截取能源的高低,其中有一個成本的問題,就是離用戶越遠,發電成本就越高,設置風機點的水深越深技術成本也越高,離岸風電有兩個比較熱門的點,一個是北歐已經發展了二十年,另一個在台灣海峽事實上是個新興的市場,但台灣還沒有蓋起來,除了台灣,日本在這一兩年也已經成功建設幾座離岸的風力發電機。

北歐為什麼適合發展離岸風電呢?因為他們本身具有一些鑽油平台,因此有很多現成的海上工程的結構和技術,很順其自然的可以順便發展離岸風電。

台灣的離岸風電

基本上經濟部有一些規劃,但目前還是缺乏大部分的技術,再者就是因為台灣西海岸有很多是出海口,會有很多鬆軟的泥沙堆積在出海口,造成它有很多鬆軟的海床,但很多機具需要立在海床上,加上台灣颱風多、地震多,這些種種的問題是台灣特別要關切的,而離岸風機真正的考驗是要維持,不要蓋了就倒。目前中樣氣象局的海洋浮標都是在近岸,但我們希望將來能有更多離岸觀測站,才能提供更多的安全的資訊,確保海上技術的安全。


【關於 M. I. C.】

M. I. C.(Micro Idea Collider,M. I. C.)微型點子對撞機是 PanSci 定期舉辦的小規模科學聚會,約一個月一場,為便於交流討論,人數設定於三十人上下,活動的主要形式是找兩位來自不同領域的講者,針對同一主題,各自在 14 分鐘內與大家分享相關科學知識或有趣的想法,並讓所有人都能參與討論,加速對撞激盪出好點子。請務必認知:參加者被(推入火坑)邀請成為之後場次講者的機率非常的高!

「M.I.C. x 民視科學再發現」系列活動指導單位為科技部,協辦單位為民視文化、PanSci 泛科學。

有任何疑問,歡迎透過聯絡表單電子郵件、或於上班時段撥打 (02)3322-1768(台灣數位文化協會)聯繫。

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羅紹桀
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目前在美國一家數位行銷公司當SEO分析師,特別愛Google的What People Also Ask功能所以還特地開了一個Youtube頻道專門分享各種關鍵字會觸發什麼PAA。 影片皆有中文字幕歡迎訂閱:https://www.youtube.com/channel/UClgRDretD9XNp3ydod8TIlA/videos

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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太空種電?不受天氣影響的發電廠登場,人類將迎來能源自由?
PanSci_96
・2023/08/12 ・4585字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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要核能、綠能、還是天然氣?大家不用吵了,因為讓我隆重介紹,宇宙太陽能準備登場,地球將進入能源自由,人類文明將邁入下一個時代!

雖然只是邁入第一步,但我沒有在開玩笑,美國、日本、歐盟、英國都陸續展開宇宙太陽能計畫,預計在太空中布下大量太陽能板,將取之不盡的能量,不分晝夜、不分天氣地將能量源源不絕的傳回地球。而且第一階段的測試,已經在宇宙中測試成功了!

宇宙太陽能真的可行嗎?我們離能源自由,還有多遠?

為什麼要去太空中進行太陽能發電?地面太陽能的困境

台灣要選擇哪種能源配比,各方論點各有道理。而同樣的問題,不只是台灣,對世界各國來說都是爭論不休的議題。面對這樣的困境,竟然有人提議往太空探索,去太空中進行大規模太陽能發電,並將能量傳回地球,成為宇宙太陽能電廠,一舉解決所有能源問題。可是就算不去太空,在地面上的太陽能近年來成長迅速,安裝量和產量都持續增加,為什麼非得跑到太空中去做一樣的事呢?

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雖然太陽能板的設置成本近年來降低很多,能不能穩定發電卻要看老天臉色,而且需要的佔地面積廣大。世界上只有少數幅員廣大,日照充足的國家可以打造 GW 等級的太陽能發電廠,像是印度,中國,以及中東地區。許多地方例如台灣,多以民間業者小規模發展為主,很難建設大規模的太陽能發電廠,如果要大規模使用農地、魚塭、屋頂種電,也有許多問題等待解決。

不過只要把太陽能搬到外太空,就可以大喊:「解開束縛、重生吧!太陽能,我還你原型!」

首先,太空中可以接收到更多的陽光。由於太空中沒有夜晚,所以軌道上的衛星幾乎可以 24 小時暴露在陽光之下。此外,太空中的陽光不會像地面上的冬天或傍晚,有傾斜入射的問題。太陽能板可以隨時指向太陽的方向,和太陽光的方向保持垂直,接受百分之百的陽光照射。根據計算,同一塊太陽能板放在太空中可以接受到的陽光量至少是地表的三倍以上。

地球上陽光傾斜入射的問題示意圖。圖/PanSci YouTube

另外,地球的大氣其實幫我們阻隔了許多陽光,保護地表上的我們不會被瞬間曬傷。就算是晴朗無雲的日子,大氣層還是會散射掉許多的陽光。太空中的太陽輻射比地表強上不少,大約多了 40% 左右。

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綜合前面所說的,只要把現有的光電材料放到衛星軌道上,就可以輕鬆獲得約四倍的發電量。此外還不需要任何占地,不會對環境生態帶來負面影響。

太空種出的電要怎麼運回地球?

你可能會好奇,在太空中收穫這麼多太陽能,要怎麼運回地球給大家使用呢?難道要存在電池裡再回收嗎?科幻大師艾西莫夫早在 1941 年就想過這個問題了。在他的短篇小說《理性》中,各個太空站會再收集太陽能之後,用微波光束將能量傳送至不同行星,也就是遠距無線傳輸能量。

雖然這種技術在當時屬於科幻情節,但現在的我們知道這樣的技術在原理上可能辦到的。在我們介紹無線獵能手環那集,我們有提到電磁波傳遞能量的問題,就是能量會以波源為中心向外發散,並且能量隨著距離快速衰減。想要高效率傳輸能量,如果不想接條線,就必須使用指向性的波源,將能源都集中到一點。

現在,我們使用多個天線組成陣列,並調整他們的相位,讓各個天線發出的微波產生干涉,形成筆直前進的單方向微波束,將能量精準發射到遠處的一個點。除此之外,因為選擇的電磁波頻段是微波,就像手機訊號可以穿過牆壁到你的手機一樣,特定頻率的微波也能穿透大氣層或雲層的阻擋。即使地球上的我們是下雨天,宇宙太陽能仍能透過微波將能量傳至地表,大幅降低天氣造成的影響。

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所以,只要把所有太陽能板發射到地球同步軌道上,讓它們在軌道中展開,組裝成大還要更大,邊長長達數公里的超大太陽能板。這樣空中太陽能發電廠就會一直維持在天空中的某一點,地面的我們,只要蓋個微波接收站就可以了。當然要將所有設備發射到地球同步軌道上所費不貲,較可行的做法是先用火箭將衛星射入高度較低的低地球軌道中,再利用衛星本身的離子噴射等方式把自己慢慢推到地球同步軌道。

太空太陽能發電廠概念圖。圖/Space.com

這個主意,在 1968 年工程師 Peter Glaser 就在 Science 期刊上提出,還向美國政府申請了專利。當時,美國能源局和 NASA 也覺得這個概念挺「有趣」的,針對宇宙太陽能做了一系列的調查並提出了正式的可行性報告。不過當時各方面的技術未成熟,無法進行測試。最重要的是,要把一整個太陽能發電廠射到太空,實在要花太多錢,產出的電根本就不敷成本。

好消息是,太空運輸成本近年來已經降低很多。SpaceX 的獵鷹九號火箭將每公斤物質運到低地球軌道的成本,只需要約三千美元,是過去使用太空梭運載的二十分之一。這讓宇宙太陽能的可能性,從僅只於科幻,搖身一變成為潛力無窮的未來能源。

宇宙太陽能離我們有多遠?

從美國、英國、歐盟到日本,都已經放話要加入這場全新的太空能源競賽。領跑者之一是日本的太空機構,宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組,是有生之年就能看到的成果!

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從宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組。圖/PanSci YouTube

這個時程也不是信口開河,日本在 1980 年代左右便開啟了宇宙太陽能計畫。經過數十年的規劃與研發, JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。這個實驗相當重要,因為在發射成本的問題解決之後,宇宙太陽能要面對的下一個難題,就是如何有效地從外太空軌道遠距送電。雖然我們已經知道可以透過干涉的方法,讓微波束直線前進,但實際運作時,還是會有一個很小的發散角,不會完全平行。

JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。圖/PanSci YouTube

失之毫釐。差之千里。地球同步軌道離地表可是有三萬六千公里,小小的發散角到地面就會嚴重發散,地面的接收天線尺寸也不可能無限擴張。這任務的難度差不多等於要從操場的一端用雷射筆打到另一端的蚊子,非常困難。JAXA 的天線雖然目前還未達到需要的準度,但是發散角已經能控制在 0.15 度左右,足以從較低的低地球軌道傳輸能量回地球,做初步的測試。

從還處在規劃階段的日本,瞬間移動到地球的另一端,美國的研究團隊,在這個月已經宣布取得重大突破。加州理工學院的宇宙太陽能計畫在今年初,成功讓一個小型測試模組,乘著 SpaceX 的獵鷹 9 號前進低地球軌道,進行太空中的實際測試。這個小型模組包含三個小實驗。第一個實驗是測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。第二個實驗則是要在 32 種不同的光電材料中,找出哪種在太空中效果最好。第三則是要測試微波傳輸能量在太空中的可行性。

測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。圖/caltech.edu

就在今年的 6 月 1 號,團隊宣布他們設計的可彎曲天線陣列,在太空中成功傳送能量到三十公分外的接收天線,點亮了 LED 燈。雖然距離只有短短的 30 公分,但是整個實驗暴露在外太空的環境中進行,證明他們的設計可以承受最嚴苛的環境條件。做為測試,他們也嘗試讓天線發射能量到遠在地球表面,大學實驗室的屋頂上。並且,還真的被他們量測到了數值。儘管規模不大,但這是宇宙太陽能第一次的軌道測試,結果相當振奮人心。

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可彎曲天線陣列。圖/PanSci YouTube
右方為可彎曲天線陣列(發射端),左邊為接收端的 LED 燈泡。圖/caltech.edu

如此看來,技術的發展似乎相當樂觀。可是要用於民生發電,成本是很大的重點。宇宙太陽能真的符合經濟效益嗎?或是我們該把資源留給其他選項呢?

宇宙發電廠符合經濟效益嗎?

根據美國能源情報署 EIA 的資料,1GW 發電容量的發電廠,傳統燃煤發電廠的初期建設成本,大約是一千億台幣,核電廠大約是兩千億台幣。那宇宙太陽能呢?每 1kW 的發電需要二十公斤的材料,1GW 就需要兩萬公噸。目前 SpaceX 獵鷹重型火箭運送每公斤材料進入軌道,需要三萬台幣。也就是說,光是將設備全部送上太空的運輸成本,就需要六千億的驚人花費。再加上太陽能板與相關設備的建置成本,以地面型太陽能發電廠為參考的話,大概還要多花500億台幣。而 JAXA 方面的預估,打造第一座 1GW 宇宙太陽能至少需要一兆兩千億日圓,雖然比我們用獵鷹重型火箭預估的還要低,但仍是一筆龐大費用。

各種發電方式的成本與性能表現。圖/美國能源情報署 EIA

那宇宙太陽能真的只是將鈔票往太空撒,空有理想的計畫嗎?當然不是,有兩個讓科學家不放棄的理由——首先是未來建造成本一定會下修。太空的發射成本相比 50 年前,已經少了兩個零,在 SpaceX 的發展下,還在持續地快速減少。另一方面,太陽能材料的輕量化工程也持續在進行,每 kW 發電重量只有十公斤或以下的太陽能材料已經不是虛構。新式的太陽能材料,我們未來也會陸續介紹。這兩個因素加乘在一起,一兆兩千億日圓的成本,很有機會在幾年內就減少為十分之一或更少。

發射火箭的成本逐年降低。圖/futuretimeline.net

更重要的是,宇宙太陽能一但建置完成,就會成為可做為基載能源的再生能源,減少對石化燃料的依賴。甚至因為主要設備都在太空,地面只需要建設接收站,可能將解決許多偏遠地區的能源問題,一舉改變全世界的能源型態。而且與許多八字還沒一撇的發電方式相比,宇宙太陽能已經算是距離現實很接近的選項,也難怪各個國家紛紛搶著要發展這塊領域。不過雖說是永續能源,還是有許多方面值得深入研究。例如要把幾萬公噸的材料射到軌道中,需要排放多少的火箭廢氣?一但規模化,這些巨大的宇宙太陽能板是否會成為小行星的標靶,或在一次的太陽風暴過後,讓軌道中堆滿太空垃圾?

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宇宙太陽能究竟能不能成為可靠的新興未來能源,從想都不敢想,到開始精算成本,相信我們很快就會知道答案。

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比爾蓋茲談零碳發電——《如何避免氣候災難》
天下雜誌出版_96
・2023/04/01 ・1227字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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有效運用當今的再生能源技術和改良輸電方式,無疑都是當務之急,也不要忘記,多數國家不像美國這麼幸運,有充足的太陽能和風力資源。美國可以寄望未來以再生能源獲取大部分電力,這不是一種普遍現象,而是例外。因此,在美國更有效運用太陽能和風力的同時,全球還是需要有清潔電力的新發明。

核能發電的優勢和疑慮

如果要簡短說明核能發電,那就是:這是唯一已證實可以不分晝夜、不分季節、不挑地點,穩定且大規模發電的零碳能源。

沒有任何其他清潔能源能做到目前核能發電給我們的這些好處,而且是還差得很遠。在利用水泥、鋼鐵和玻璃等材料的效益方面,核能發電廠也是第一名。下圖表呈現出不同發電方式下,每單位發電量需要消耗多少材料。

每單位發電量(每兆瓦小時)需要消耗多少材料。圖/《如何避免氣候災難

核電有很多問題已經不是什麼祕密,興建核電廠的成本目前已變得很高。人為疏失會導致意外事故,核電廠使用的燃料——鈾,有可能被用來製造核武,存放有危險性的核廢料也是棘手的問題。發生在美國三哩島、前蘇聯車諾比,以及日本福島的核電廠事故備受矚目,使這些風險成為焦點。造成這類核災的問題確實存在,但我們面對的方式應該是著手解決問題,而非直接停止發展這個領域。

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核能發電造成的人命傷亡遠遠少於汽車,事實上,也遠遠少於任何一種化石燃料(見下圖表)。

不同發電方式在每單位發電量下(每兆瓦小時)所造成的死亡人數。圖/《如何避免氣候災難

新的技術 打造更安全的核能設施

儘管如此,核能發電技術還是應該要改良。把造成事故的問題逐一分析清楚,再設法以創新來解決。我對泰拉能源(TerraPower)設計的方案十分樂觀,泰拉能源的反應爐可以使用多種不同的燃料,包括其他核電廠的核廢料。這種反應爐產生的廢料也比現有核電廠少得多,同時採取全面自動化,排除人為疏失的可能性,又可以建造在地底,避免遭到攻擊。最後一點,反應爐運用巧妙的設計來控制核反應,本身就很安全。運用物理定律,事故基本上不會再發生。

泰拉能源要落實到興建新的核電廠,恐怕還要等很多年,到目前為止,我們設計的反應爐都只存在於超級電腦中。另一方面,我們正與美國政府積極合作,共同打造一座新一代核電廠的原型。

——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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