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MIT 實驗室開發廢熱回收新技術-TEG 熱電轉換裝置

陳妤寧
・2014/11/20 ・1821字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

文 / 陳妤寧

在美國,大約有一半以上的能源最後都以熱能的形式溢散於大氣,例如重型機械和大型交通工具排出的廢熱。不過這種「浪費」在 MIT 熱電實驗室的研究下開始出現了改變的曙光。

由麻省理工機械工程系的教授陳剛(英譯:Gang Chen)和休士頓大學物理學系的教授任志鋒(英譯:Zhifeng Ren)共同創辦「GMZ Energy」公司,推出一款新的熱電裝置「TEG」,它的功能是將運輸工具產生的廢熱轉換為電力,並將這些電力回饋給運輸工具本身使用。

今年六月,在美國能源部(Department of Energy,DOE)一百五十萬美元的計畫支持下,GMZ Energy 成功製造出能夠產出 200 瓦的電力的 TEG 模組。這項計畫的目標是減少軍事成本- M2布雷德利裝步戰車(Bradley Fighting Vehicle)在戰場上所耗費的每加崙燃料成本需要 40 美元,如果能夠組裝數個 TEG 模組提供 1000 瓦的電力,對於大型運載工具確實能夠減少不少能源。

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GMZ Energy 計畫在短期內將 TEG 應用到家用汽車和大眾運輸工具,改善 5%~25% 的燃料效率。一個 4 平方公分的 TEG 熱電裝置可以提供 7.2 瓦的電力,如果把這樣一個熱電裝置裝在汽車排氣管的旁邊,轉換出的電力足以供應車內的電子設備,大大減輕車內發電機的負擔、減少燃料成本和對環境的排放污染。

熱電轉換原理,將溫差轉換為電位差

熱電材料的原理是將熱能的溫度差轉換為電位差-即電壓。當熱能進入 TEG 的裝置頂部、穿過半導體材質來到溫度較低的底部,在溫差驅動下,在半導體中運動的電子便會製造出電位差提供電力。

TEG 的模組內部示意圖,P和N為模組中間的半導體。圖片來源:截自 GMZ Energy 產品影片
TEG 的模組內部示意圖,P和N為模組中間的半導體。圖片來源:截自 GMZ Energy 產品影片

熱電裝置的設計觀念可以追溯到 1821 年,起初被稱之為塞貝克效應(Seebeck effect)-湯瑪士塞貝克(Thomas Seebeck)發現在傳導物質(例如半導體)的一端加熱,會引起電子往相對低溫的一端移動,製造出電流。這個熱電效是可逆的,如果電流通過傳導物質,也會將熱能從溫度高的一端帶往溫度低的一端。

1821年發現熱電效應的物理學家 Thomas Seebeck。圖片來源:Jlorenz1@web.de
1821年發現熱電效應的物理學家 Thomas Seebeck。圖片來源:Jlorenz1@web.de

突破熱能溢散限制,以奈米科技提高熱電轉換率

不過,過去大多數的熱電裝置會在轉換過程中溢散大量的熱能,對最後轉換出的電量大打折扣。1950 年代有許多發明開始受到大批公司和研究室的資助,進而應用於實際生活,但熱電材質因為轉換效率太低而未受青睞。這些材質在傳導電的同時也會傳導熱,因此傳導物質兩端的溫差會迅速的被平衡。熱電領域的發展停滯了好幾十年後,1990 年代開始出現以奈米科技重構熱電材質的研究,試圖突破低轉換率的限制。

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陳剛和他的實驗團隊將熱電材料重構為奈米大小,以不規則的粒子排列減緩熱傳導中的量子運動,讓電子在可以順利傳導的同時,有效減緩轉換過程中熱能溢散的狀況。此舉可以提昇大約 30 ~ 60% 的熱電轉換率,為可商業化的熱電裝置打下基礎。

GMZ Energy 在 2011 年開始製造 TEG 熱電裝置並商業化運作,他們選定了一種具有強力晶體結構的合金材質(half-Heusler),可以在高溫下保持良好的穩定性。TEG 在裝置頂部和底部的設計分別能夠承受攝氏 600 度和 100 度的高溫。「材質的效能取決於它須承載的溫度,所以你必須先看看你的熱能來源溫度會多高,再找尋符合這個耐熱區間的材料。」

陳剛在 2001 年之前曾研究了四年的薄膜電晶體以及以奈米線為基礎的熱電裝置,2008 年他和材料專家任志鋒發現碲化鉍、碲化銻作為傳導物質可以提昇 40% 的效率,而且選用這種材料的成本並不昂貴。成本效益高又安全的合金材質意味著熱電材質未來能夠在產品中做更多應用。GMZ 未來會持續發展碲化鉛、方鈷礦、 矽鍺等材料,努力來提高熱電轉換效能。

陳剛認為他們研發的熱電材料和技術已經成熟到足以商業化,做出各種更具潛力的應用。他們成立了 GMZ Energy 希望廣為推廣。「但我們有點太天真了,熱電的市場很小,我們找不到具規模的買家。我們了解到光是販售『材料』是不夠的,我們需要發展一個完整的『裝置』。熱電不像光電池或其他電池,這個市場需要更成形的產品來刺激出更創新的發明。」撇開 GMZ Energy 這間公司的發展不談,TEG 熱電裝置的發展的確大大地為整個市場帶來進化。陳剛表示:「創造出更節約能源的科技。能夠將研究帶入真實世界,是我從事能源研究最大的動力和驕傲。」

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參考資料:

本系列文章由工研院綠能與環境研究所支持,PanSci編輯部策劃執行。

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陳妤寧
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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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

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

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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天下雜誌出版持續製作與出版國內外好書,引進新趨勢、新做法,期盼能透過閱讀與活動實做,分享創新觀點、開拓視野、促進管理、領導、職場能力、教養教育、同時促進身心靈的美好生活。

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MIT 實驗室開發廢熱回收新技術-TEG 熱電轉換裝置
陳妤寧
・2014/11/20 ・1821字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

文 / 陳妤寧

在美國,大約有一半以上的能源最後都以熱能的形式溢散於大氣,例如重型機械和大型交通工具排出的廢熱。不過這種「浪費」在 MIT 熱電實驗室的研究下開始出現了改變的曙光。

由麻省理工機械工程系的教授陳剛(英譯:Gang Chen)和休士頓大學物理學系的教授任志鋒(英譯:Zhifeng Ren)共同創辦「GMZ Energy」公司,推出一款新的熱電裝置「TEG」,它的功能是將運輸工具產生的廢熱轉換為電力,並將這些電力回饋給運輸工具本身使用。

今年六月,在美國能源部(Department of Energy,DOE)一百五十萬美元的計畫支持下,GMZ Energy 成功製造出能夠產出 200 瓦的電力的 TEG 模組。這項計畫的目標是減少軍事成本- M2布雷德利裝步戰車(Bradley Fighting Vehicle)在戰場上所耗費的每加崙燃料成本需要 40 美元,如果能夠組裝數個 TEG 模組提供 1000 瓦的電力,對於大型運載工具確實能夠減少不少能源。

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GMZ Energy 計畫在短期內將 TEG 應用到家用汽車和大眾運輸工具,改善 5%~25% 的燃料效率。一個 4 平方公分的 TEG 熱電裝置可以提供 7.2 瓦的電力,如果把這樣一個熱電裝置裝在汽車排氣管的旁邊,轉換出的電力足以供應車內的電子設備,大大減輕車內發電機的負擔、減少燃料成本和對環境的排放污染。

熱電轉換原理,將溫差轉換為電位差

熱電材料的原理是將熱能的溫度差轉換為電位差-即電壓。當熱能進入 TEG 的裝置頂部、穿過半導體材質來到溫度較低的底部,在溫差驅動下,在半導體中運動的電子便會製造出電位差提供電力。

TEG 的模組內部示意圖,P和N為模組中間的半導體。圖片來源:截自 GMZ Energy 產品影片
TEG 的模組內部示意圖,P和N為模組中間的半導體。圖片來源:截自 GMZ Energy 產品影片

熱電裝置的設計觀念可以追溯到 1821 年,起初被稱之為塞貝克效應(Seebeck effect)-湯瑪士塞貝克(Thomas Seebeck)發現在傳導物質(例如半導體)的一端加熱,會引起電子往相對低溫的一端移動,製造出電流。這個熱電效是可逆的,如果電流通過傳導物質,也會將熱能從溫度高的一端帶往溫度低的一端。

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1821年發現熱電效應的物理學家 Thomas Seebeck。圖片來源:Jlorenz1@web.de
1821年發現熱電效應的物理學家 Thomas Seebeck。圖片來源:Jlorenz1@web.de

突破熱能溢散限制,以奈米科技提高熱電轉換率

不過,過去大多數的熱電裝置會在轉換過程中溢散大量的熱能,對最後轉換出的電量大打折扣。1950 年代有許多發明開始受到大批公司和研究室的資助,進而應用於實際生活,但熱電材質因為轉換效率太低而未受青睞。這些材質在傳導電的同時也會傳導熱,因此傳導物質兩端的溫差會迅速的被平衡。熱電領域的發展停滯了好幾十年後,1990 年代開始出現以奈米科技重構熱電材質的研究,試圖突破低轉換率的限制。

陳剛和他的實驗團隊將熱電材料重構為奈米大小,以不規則的粒子排列減緩熱傳導中的量子運動,讓電子在可以順利傳導的同時,有效減緩轉換過程中熱能溢散的狀況。此舉可以提昇大約 30 ~ 60% 的熱電轉換率,為可商業化的熱電裝置打下基礎。

GMZ Energy 在 2011 年開始製造 TEG 熱電裝置並商業化運作,他們選定了一種具有強力晶體結構的合金材質(half-Heusler),可以在高溫下保持良好的穩定性。TEG 在裝置頂部和底部的設計分別能夠承受攝氏 600 度和 100 度的高溫。「材質的效能取決於它須承載的溫度,所以你必須先看看你的熱能來源溫度會多高,再找尋符合這個耐熱區間的材料。」

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陳剛在 2001 年之前曾研究了四年的薄膜電晶體以及以奈米線為基礎的熱電裝置,2008 年他和材料專家任志鋒發現碲化鉍、碲化銻作為傳導物質可以提昇 40% 的效率,而且選用這種材料的成本並不昂貴。成本效益高又安全的合金材質意味著熱電材質未來能夠在產品中做更多應用。GMZ 未來會持續發展碲化鉛、方鈷礦、 矽鍺等材料,努力來提高熱電轉換效能。

陳剛認為他們研發的熱電材料和技術已經成熟到足以商業化,做出各種更具潛力的應用。他們成立了 GMZ Energy 希望廣為推廣。「但我們有點太天真了,熱電的市場很小,我們找不到具規模的買家。我們了解到光是販售『材料』是不夠的,我們需要發展一個完整的『裝置』。熱電不像光電池或其他電池,這個市場需要更成形的產品來刺激出更創新的發明。」撇開 GMZ Energy 這間公司的發展不談,TEG 熱電裝置的發展的確大大地為整個市場帶來進化。陳剛表示:「創造出更節約能源的科技。能夠將研究帶入真實世界,是我從事能源研究最大的動力和驕傲。」

參考資料:

本系列文章由工研院綠能與環境研究所支持,PanSci編輯部策劃執行。

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陳妤寧
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熱愛將知識拆解為簡單易懂的文字,喜歡把一件事的正反觀點都挖出來思考,希望用社會科學的視角創造更宏觀的視野。