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【還能怎樣】張育誠:太陽能電池的發展現況

雷雅淇 / y編_96
・2014/10/20 ・2500字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 529 ・七年級

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記錄:雷雅淇

當剎不住現代文明的火車頭,卻又無法無限制的供應它前進的能源;我們還「能」怎樣?

一系列的能源講座今天來到了台中勤美誠品,再來談談我們能不能繞出能源困境的十字路口。

再生能源的發展很多,其中很大的一宗便是太陽能電池。太陽能電池既是環保的再生能源,卻又有製造時會汙染環境的疑慮;到底太陽能電池的現況如何,是不是未來值得依賴且可以大力發展的再生能源呢?

再生能源簡單來說就是來自大自然的能源,像是太陽能、風力、水力、生質能、地熱能等等。相對於石油天然氣等,因為會再生,所以稱為再生能源。但成本相對較高。每單位的成本較高。

如果可以把全世界地表的太陽光都收集起來的話,可以滿足全世界2850倍的能源需求。而風力發電是200倍,生質能則是約20倍。而這三種再生能源也是現今像德國、美國等國家多有著墨的地方。

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圖片來源:cc by Wikimedia Commons

太陽能利用的基本方式可以分為以下四大類:

  1. 光熱利用:基本原理是將太陽輻射能收集起來,通過物質的相互作用轉換成熱能加以利用。 利用的方式有平板型集熱器、真空管型集熱器等等,這種方法可以加熱熱水,能減少家用熱水器電的使用量。
  2. 太陽能發電:為目前主要方式的應用,是利用光-電轉換和光-熱-電轉換。透過太陽光照射太陽能電池板,產生光電效應,在透過電壓轉換器變成家戶利用的電,多餘的電可以提供給電廠。優點是安靜沒有噪音。還可以降低室內溫度。,使用的時限也較長。
  3. 光化利用:一種利用太陽能輻射直接分解水製造氫的光-化學轉換的方式,是一種高能的轉換方式,目前仍在實驗階段。
  4. 光生物利用:透過植物的光合作用來實現將太陽能轉換成生物質的過程。水、二氧化碳轉成具有能量的葡萄糖。

科技始終來自于人性,就像太陽能錶的演進一樣:過去的太陽能錶只能把太陽能板大拉拉的放在錶面,但現在已經藏得不留痕跡了,像右圖一樣。

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其他還有在戶外也可以讓手機充電的太陽能背包,或是我們現在已經能再抹些地方看到的太陽能路燈,已經有越來越多太陽能的運用進入了我們的生活。

圖片來源:cc by Formosan Serow Biking Club
圖片來源:cc by Formosan Serow Biking Club

接下來我們來簡單的說說太陽能電池的運作原理。

太陽能板分成3層,第一層是抗反射層(Antireflection),這層是為了要增加光的吸收量,可以增加整體的效率。做成鋸齒讓本來只能針對特定波長反射率,變成可讓所有波長的反射率都降低,讓光能更有效地被吸收。也透過表面的微細結構,產生荷葉效應讓太陽能板上的髒污可以被水吸附帶走。中間的是p-n接面層(p-n Junction Layer),也是最重要的一層,有n型半導體跟p型半導體,電子會往n極半導體移動,產生正負差。最後一層是電極層(Electrode Layer),分為上電擊和下電擊。

太陽能板結構。圖片來源:nsysu
太陽能板結構。圖片來源:nsysu

話說,向日葵會不會跟著太陽轉?

答案是肯定的,除非那朵向日葵已經年事已高或有疾病,不然他應該是會跟著太陽轉的。向日葵會跟著太陽轉是為了要多曬點太陽,而有些太陽能也有這樣的設計,那些可以跟著太陽轉動的太陽能電池,能增加約百分之30~50的發電量。

而聚焦型太陽能熱發電,用大規模陣列拋物或碟形鏡面,透過換熱裝置提供蒸汽,結合傳統氣熱發電機而達到發電的目的。它可以降低太陽能發電的成本,並增加發電的時間。利用這種方式,儲熱時間也較長。這樣的發電方式有多種不同的形態。像是:

  • 槽式聚熱發電:太陽熱能發電廠採用拋物線型槽式設計。
  • 碟式聚熱發電:集中太陽光線加熱到原件上的斯特林發動機。整個裝置作為一個太陽能跟蹤器。
  • 塔式聚熱發電:每天有15小時的熱量儲存,並能提供24小時供電,位於西班牙。會把太陽能聚在中央的塔上。

有一個如果能在中秋節用就好了的美妙小物:不需要炭火、沒有油煙的太陽能燒烤架。怎麼偏偏我們都在晚上烤肉啊(搥地板)。

太陽能烤肉架。圖片來源:hardwaresphere
太陽能烤肉架。圖片來源:hardwaresphere

但太陽能技術還是不免會遇到了些問題,首當其衝的是成本過高(關於再生能源成本可參考,再生能源燒錢如流水?)。單晶矽太陽能電池沒辦法降低成本。但薄膜太陽能電池和聚焦行太陽能熱發電比較有機會降低。多晶矽成本能降低的原因,包括材料製備技術的改良,製程技術的提升,以及市場競爭等等。

再者是轉換效率不佳,轉換效率矽太陽能電池大概只有百分之10~20,而化合物太陽能電池的效率則略高,可以超過百分之20達到百分之30左右。

而材料改良與技術提升,追日型太陽能電池,聚光太陽能熱發電等都能提高轉換效率。

其他問題還有,缺乏足夠的土地和電路的傳輸與電力儲存。太陽能只有白天才能進行發電,所以需要有電路將電力傳輸到電廠儲存,或是傳到其他家互使用。

太陽能無疑是再生能源的重點發展項目,但要怎樣才能更普遍的進入到我們的生活,或是成為永續能源重要的一環,我想還有很多我們需要努力跟能進步的空間。

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【關於能源多元化系列講座】

能源多元化系列講座是Pansci舉辦的科學聚會,活動的主要形式是找兩位來自能源相關領域的講者,各自在 30 分鐘內與大家分享能源相關知識或相關的想法,並讓所有人對能源議題有興趣或關心台灣能源產業現況的人都能參與討論。本系列活動由PanSci 泛科學、工業技術研究院與經濟部能源局聯合主辦。

文章難易度
雷雅淇 / y編_96
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PanSci 總編輯|之前是主編,代號是(y.),是會在每年4、7、10、1月密切追新番的那種宅。中興生技學程畢業,台師大科教所沒畢業,對科學花心的這個也喜歡那個也愛,彷徨地不知道該追誰,索性決定要不見笑的通吃,因此正在科學傳播裡打怪練功衝裝備。


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Omicron 變種病毒從哪來?打疫苗有用嗎?Omicron相關研究彙整

台灣科技媒體中心_96
・2022/01/22 ・2931字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國內境外移入已出現變種病毒 Omicron 案例,引發國人擔憂。至去年 12 月中為止,我們僅略知 Omicron 會造成曾染疫者再次染疫的風險增加,不過,初次感染比率卻下降,而 Omicron 病毒的傳播力尚待研究證實。

另一方面,Omicron 變種病毒從去年底爆發全球疫情至今,大家最關注的就是新冠疫苗的保護力是否會因為 Omicron 病毒而失效。科學家在 2021 年底初步用施打疫苗的血清做測試,發現這些血清對 Omicron 病毒的抗體反應有下降;但台灣科技媒體中心綜整至今(2022)年陸續發布尚未同儕審核的預印本研究,發現人體由疫苗或感染病毒獲得的 T 細胞免疫反應,並沒有因為 Omicron 變種病毒而受到太大的影響,表示人體過去打疫苗或受新冠病毒感染後,仍帶有一定程度的保護力。

人們施打疫苗或受新冠病毒感染後,面對Omicron 仍帶有一定程度的保護力。圖/envato elements

「台灣科技媒體中心」彙整 Omicron 相關科學文獻,提供國人參考,增加對最新變種病毒的認識。

Omicron 從哪來?這次變種有什麼特徵?

Omicron 變種病毒在 2021 年 11 月 26 日,由 WHO 正式命名。科學家觀察 Omicron 的序列時發現,它與之前的變種病毒相較,突變位置的數量最多。造成全球大流行的 Beta 和 Delta 病毒,改變棘蛋白功能的突變分別是 10 個和 9 個,而 Omicron 有 36 個,這是引起科學家們擔憂的最主要原因。

研究發現,Omicron 病毒在南非,「再感染」的風險增加,但這並不能說明是因為 Omicron 病毒的傳播力變強。南非流行病模擬暨分析中心(SACEMA)於 12 月 2 日,發表尚未經同儕審核的研究,根據 11 月 1 日至 27 日間的數據指出,南非當地曾經感染新冠病毒者,又再感染 Omicron 病毒的風險較高。推測應是從自然感染新冠病毒獲得的免疫力,對抗 Omicron 的效果下降。該研究提醒,雖然再感染率上升,初次感染比率卻下降,研究無法回答再感染率增加的原因,也無法說明 Omicron 免疫逃脫的程度。

南非國家傳染病研究所(NICD)病毒學家潘妮.摩爾(Penny Moore)認為,南非的新冠疫苗覆蓋率較低,再感染率高,所以關鍵在於感染後的症狀與重症程度。雖然目前 Omicron 在南非案例增加快速,但在英國主要流行的變種病毒還是 Delta,因此很難從案例數字看出 Omicron 的傳播狀況。

(示意圖)圖/envato elements

Omicron 會讓疫苗失效嗎?

目前科學家是依據觀察抗體量,來判斷疫苗的作用,而其中的原理,長庚大學臨床醫學研究所教授顧正崙說明:在對抗致病性微生物的戰爭中,後天免疫系統由 B 細胞產生的抗體與 T 細胞的細胞免疫,組成兩個交叉火網。新冠疫苗可以誘發 B 細胞產生抗體,抗體主要中和病毒預防感染。

Omicron 由於在棘蛋白上有高達 30 個以上的突變,由疫苗誘發中和抗體的能力對 Omicron 的結合能力下降,這點也在大量的體外抗體中和實驗中所證實,解釋為什麼接受過疫苗的人仍會被 Omicron 感染;尤其是 AZ 疫苗這種抗體誘發抗體能力較低的疫苗,幾乎沒有辦法有效預防感染。

國立陽明交通大學微生物及免疫研究所退休教授 黃麗華 也說明,相反的,T 細胞辨識的不是棘蛋白結構,而是呈現在細胞表面上的小片段蛋白質(約 10~24 個胺基酸)。棘蛋白中,約估有數十條小片段可被呈現在細胞表面,可被輔助型及殺手型 T 細胞所辨識。

Omicron 病毒在棘蛋白上雖然有 30 多個突變點,但其中可能影響T細胞功能的分別只有 28% (輔助型 T 細胞)及 14% (毒殺型 T 細胞)而已。換言之,絕大部分因疫苗引發的 T 細胞仍可充分辨識被 Omicron 病毒感染的細胞、並且將之清除。T 細胞反應沒有因 Omicron 病毒而受到太大的影響。(但若未來突變持續增加,呈現在細胞表面上的小片段蛋白質受到更多影響時,T 細胞反應有可能也會隨之降低。)

Omicron 的突變能讓抗體結合力下降,但對T細胞的辨識功能影響不大。圖/envato elements

這樣的研究也解釋了為什麼 Omicron 病毒雖然能造成接受疫苗後的人得到突破性感染,造成感染人數大幅上升,但是由於 T 細胞免疫還是能有效對抗感染,比起未接種疫苗者,這些確診者多為輕症或無症狀。

我應該接種第三劑疫苗嗎?第三劑如何挑選?

中興大學獸醫病理生物學研究所所長吳弘毅 指出,Omicron 會快速流行有許多原因,例如南非疫苗覆蓋率低,各國的防疫措施不同也是影響的重要因素。而判斷 Omicron 影響疫苗效果的關鍵在於,疫苗是何時施打的,因為較早施打疫苗者產生的抗體會逐漸下降。國內病毒專家施信如 則表示,台灣現在的相對優勢是,大多數人最近已施打完第二劑,保護力較高。

但兩人皆認為,提高現階段的保護力,國內最早施打疫苗的第一線人員與高齡老人,可加打第三劑作好保護、提升抗體濃度。另外,較早施打 AZ 疫苗的人,也需要盡快打第三劑。

在第三劑挑選上,施信如說明,AZ 疫苗是利用「腺病毒載體」,免疫系統再次辨認腺病毒時容易消滅疫苗載體,而減低 AZ 疫苗的效果,可能不適合作為第三劑。反過來說,原先打 mRNA 疫苗的,可以第三劑再打 AZ 疫苗,也應該考慮其他種類和品牌的疫苗,包含 Medigen(高端)與 Novavax,蛋白質疫苗也可以是很好的選擇,而不是僅限 AZ、BNT 和莫德納。

國內最早施打疫苗的第一線人員與高齡老人,可加打第三劑作好保護。圖/envato elements

此外她也提醒,疫苗施打策略應該考量全球疫苗的整體覆蓋率,富國可以一直補打第三劑疫苗,但這次 Omicron 疫情來自的非洲,相對之下較沒有量能施打第三劑,應要趕緊提升其他各國(窮國)第二劑疫苗的施打率,並持續關注這些疫苗覆蓋率低的國家的病毒變異。

吳弘毅則表示,以整體來看,未來,我們可能需要如同流行性感冒疫苗一樣,每年固定的月份同時補打新冠疫苗,讓全球的抗體或免疫能力同步。

Omicron 的研究還在進行中

有關 Omicron 的突變對傳播力、各廠牌疫苗的影響,以及感染後的情況,科學證據都還在累積當中。「台灣科技媒體中心」強調,目前應有效評斷最新研究證據的可信度與推論程度,國人不宜在未有足夠證據的狀況下,急於做出對於 Omicron 病毒的評判。

施信如與吳弘毅也表示,從現在 Omicron 有限的資料來看,Omicron 是否會對台灣造成嚴重影響仍未知,必須考量台灣的疫苗覆蓋率、防疫策略以及醫療量能。同時,台灣也須嚴密監測各國 Omicron 的疫情狀況和最新研究,以協助政府進行政策判斷。至於一般民眾則需有心理準備,防疫是長期的工作,勤洗手和戴口罩仍然是最重要的防疫基本方式,如此才能盡量降低接觸病毒的量。

勤洗手和戴口罩仍然是最重要的防疫基本方式。圖/envato elements

台灣科技媒體中心_96
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