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2014全國中小學機器人大賽暨WRO國際奧林匹克機器人全國總決賽

馥林文化_96
・2014/11/25 ・7720字 ・閱讀時間約 16 分鐘 ・SR值 565 ・九年級
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國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

採訪、攝影/劉珈均、郭有迪

WRO(World Robot Olympiad)國際奧林匹克機器人大賽舉辦邁入第十一年,今年臺灣總決賽於高雄義守大學舉行,經過9月14、15日兩天比試,共有14組競賽組隊伍、5組足球賽隊伍、6組創意賽隊伍取得晉級國際賽資格。今年的WRO世界賽由太空科技強國俄羅斯主辦,主題訂為「機器人與太空」。大專組機器人必須深諳如何為「火星礦物」分類,中小學競賽分組拼湊「火箭」、撤換「太陽能板」、清掃軌道上的「太空垃圾」;創意賽則讓選手們自由發想專題,讓機器人成為太空人好幫手,協助太空任務。

競賽組

國小組 火箭

人造衛星、太空梭、探測船等皆需火箭之力才能前往太空,火箭發明至今尚未滿一世紀,已幫助人類完成登月、探索太陽系行星等重大任務,大大拓展人類宇宙觀。

在火箭發射前,必須先將火箭從廠房運到發射區組裝、疏散人員,並將火箭升至近垂直角度──這正是國小組的機器人任務。機器人要出發蒐集做為火箭結構體的三塊積木,按照俄羅斯國旗顏色白、藍、紅順序組裝成一大塊,在發射臺區的斜坡升起積木火箭,並疏散四周人員,一同回到安全區。

1S
機器人按照俄羅斯國旗顏色白、藍、紅順序排放,將火箭推向發射架後立起。

大部分機器人是一次一塊,來回幾趟依序將三塊積木運到發射區前排列成直線,再一次推上發射臺、啟動機關讓火箭結構體升起。選手們的策略大致差不多,場上常見的問題是機器人構造撞到場地、碰歪積木,或程式出錯導致機器人抵著牆空轉。

冠軍隊伍「E顆火龍果」屬於少數採行不同策略的隊伍,機器人出發後在場上遊走,一次便夾帶了所有積木,蒐集於機器人身側再推到發射臺上,觸發棘輪讓發射臺升起。此方法能減少一些不必要路線,「E顆火龍果」最後以1分8秒的時間順暢完成任務。隊員吳柏陞、鄧皓銘、方宥鈞從6月開始便反覆不斷練習、集訓到晚上,隊員們年紀雖小,接觸機器人資歷最深的已有七年。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 高雄縣陽明國小/民權國小/岡山國小 E顆火龍果 吳柏陞、鄧皓銘、方宥鈞
2 新北市私立裕德雙語小學/古亭國小/重慶國小 火箭隊 張嘉翔、余品劭、辜冠霖
3 新北市莒光國小 對不 王慎禧、何宸瑋、范閎凱
佳作 臺南市信義國小 White tornado 吳佩穎、鍾佳晉、曾紹剛

 國中組 人造衛星

太空垃圾(Space Debris)是繞著地球軌道的無用人造物體,小至人造衛星的碎片、零件,大至發射後拋棄的火箭結構,目前已有超過五千噸的太空垃圾散落在兩千公里外的地球軌道上,這些高速運行的碎片可能會撞擊、損害正常衛星與國際太空站。國中組競賽的任務便是清除軌道上失靈的衛星,還給正常衛星一條乾淨的軌道。

競賽場地看起來就像原子模型,黑色與綠色的橢圓軌道交叉,圍繞位於中心的地球。做為「人造垃圾場衛星」的白色紙筒沿著黑色軌道移動運行,綠色軌道則散布著4顆紅球(損壞的人造衛星)、2顆藍球(正常衛星)、2塊積木(太空垃圾)。機器人從地球出發後,先到綠色軌道上蒐集紅球與積木,再切換軌道「倒垃圾」。

2S
機器人預備從地球出發,先到綠色軌道上蒐集紅球與積木,再切換軌道「倒垃圾」。

有時候機器人碰撞到球,球便會像撞球一樣將其他物件撞開,一起在太空漂流;白色紙筒則是在過程中持續移動。大部分機器人蒐集完紅球與積木後會跨越至黑軌道停下等待,等紙筒從後面追上再傾倒。有些機器人時間估算恰到好處,穿越軌道後便攔截到垃圾場,但不少機器人因過程不順而延誤時間,跨越軌道前一秒紙筒才剛經過,機器人便得等紙筒走完一圈才能繼續。

機器人多使用夾爪夾取物件,夾爪在前方的機器人,多須停頓感測球的顏色、後退、往前夾球再繼續行走;夾爪在後方的機器人則正好利用行進的時間讀取,決定是否夾起遇到的物件,省去感測與後退的重複,相對順暢許多。國中組冠軍「e臺LEXUS」便是採用後者構造。

現場公布的臨時規則(Surprise Rule)是讓白色紙筒後方多拖曳一塊黑色方塊,若機器人推開了黑色積木就加分。不過,教練蔡德暐表示,基於策略考量,幾乎沒有隊伍執行。這是因為難以準確地推估行進中垃圾場位置,從後方追上的變數會較大。

3S
冠軍隊伍「e臺LEXUS」成員林珈禧、郭駿浩、洪為霖。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 高雄市瑞祥國中/左營國中/五甲國中 e臺LEXUS 林珈禧、郭駿浩、洪為霖
2 臺南市德光中學/永仁國中/建興國中 黑化肥發灰會揮發 張雅婷、姚昱志、吳長城
3 新北市恆毅中學 快樂馬 王昱淳、宋汶翰、陳威廷
佳作 臺中市崇倫國中 崇心啟動 溫梓傑、黃靖涵、賴俊霖

高中職組 太空站

國際太空站(International Space Station,ISS)是一個運行於近地軌道的設施,約兩個足球場大,太空人在這裡進行許多無重力研究實驗。自從2011年美國太空總署的亞特蘭提斯號(Atlantis)太空梭退休後,現今要前往ISS只能透過俄羅斯的聯盟號飛船。

高中職組機器人的任務為檢修「太陽能板」,機器人從基地經通道到太空區域,檢查9組積木,將損壞的太陽能板(黑色積木)帶回出發區域,並以正常的彩色積木替換,閒置的太陽能板擺放方向反了180度,機器人也要調整其方向。以轉軸旋轉積木會受限於機器人下方空間,不能碰地,且夾取的點必須非常精準;因此多數機器人夾住積木後整體轉180度,這比用旋鈕機關轉動積木來得順暢、不易出錯。

4S
機器人正在180度調整「閒置太陽能板」至正確方向。

在競賽場上,臺中市西苑高中的「很盟對不隊」表現相當突出,以滿分拿下冠軍。隊員們都是「未來工程數位研究社」社團成員,這臺機器人是從4月起社團30幾人共同投入討論、參考他校機型,並持續設計改良的成果。成員周炫佐表示:機器人的重心構造與程式要同時設計,否則可能在執行動作時不穩或打滑。該隊的機器人有個像彈匣一樣的特別構造,可夾取正常積木,挪出別的空位存放黑積木。

5S
第一名隊伍「很盟對不隊」的機器人,中間藏著特別的「彈匣」構造。

相較於有的機器人「一次只解決一種問題」,路徑迂迴重複的方式,「很盟對不隊」尋求最短路徑以節省時間。進入通道前先攜帶正常積木,加上構造設計,在巡視場上9個擺放積木位置時,也能同時更換黑積木、修正閒置太陽能板,一趟就完成任務,帶著黑積木回到出發點。

「我們很期待去俄羅斯比國際賽!」社團創立才短短三年時間,已拿過好幾個科學競賽前三名獎項。社團指導老師賴怡旬說,接下來團隊會一邊募款,一邊努力準備站上俄羅斯國際賽舞臺。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 臺中市西苑高中 很盟對不隊 王敬佑、周炫佐、陳仕林
2 基隆市基隆高中 飛帆艦隊 黃品傑、余俊德、劉昱岷
3 新北市私立淡江高中 淡江巴拉布 黃健碩、謝沛恆、洪佩君
佳作 新北市東海高中 南極圈KExE 謝佳霖、林子勛、蔡文傑

大專組

大專組比賽場地上,機器人忙碌的走來走去,3個小基地各有5~6顆紅球、藍球夾雜排列,機器人必須設法讓藍基地只剩下紅球、橘基地只有藍球、紫基地沒有球,而唯一的黃球則要特別挑出另外放置到場中,機器人完成分類後走到終點停下,才算是完成整個任務。

6S
大專組場地上,機器人忙碌穿梭各基地,將球分類、配送到指定位置。
7S
機器人正在篩選,設法讓藍基地只剩下紅球。

選手事前並不知道球的顏色分布,要如何制定路線與分類策略呢?面對未知的情況,中興大學隊伍「CTC」設想球的顏色排列組合有27種情況,有些排列順序不同但顏色分布相同的情形可視為同一種,進而簡化成約16種。八強賽前是積分賽,依任務完成情況與花費時間計算,機器人須在球的分類精準度與時間耗費之間拿捏,考量得分規則來擬定策略。嚴謹的策略分析讓「CTC」以859分名列第一進入八強賽,可惜後來因程式失誤而未晉級四強。

大專組前三名都由虎尾科技大學的隊伍囊括。第一名隊伍「A.V.R.」成員沈建均說,他們不考慮時間,因為測試後發現時間差距不會超過10秒,對得分影響有限。在晉級八強賽的得分排名中,虎尾科大的四支隊伍也分別以839、823、791、650的分數緊接中興大學之後。

不少機器人配備地磁感測器,不過「地磁太敏感了,每個小時測量值都不同,前兩天太陽風暴也會影響它。」團隊成員王若庭解釋,今年團隊改用兩顆光感測器感測地上的線。王若庭表示:季節、天氣都會影響地磁感測,一時電流不穩也有可能讓機器人暴衝。由於地磁感測的敏感度過高,因此多數機器人都像好奇號一樣有長長的「脖子」,將地磁感測器裝得高一點,以遠離馬達電池等裝置。

虎尾科大的實驗室此次的四款機器人各有不同策略、路徑與程式。其中「A.V.R.」著重於球的分類精準度,沈建均說「A.V.R.」只考慮兩種情況:「要這顆球或不要。」機器人有個十字結構,視感測結果讓球滾回基地或保留在機器人身上。「A.V.R.」的路線也讓機器人節約路徑,節省重複奔波的時間。

8S
第一名隊伍「A.V.R.」,由左至右為沈建均、王若庭、黃健祐。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 雲林縣虎尾科技大學 A.V.R. 王若庭、沈建均、黃健祐
2 雲林縣虎尾科技大學 N.M.C. 盧毅民、張絲語、林煒祥

足球賽

足球賽中,每隊都會各準備一臺攻擊機器人與防守機器人,場上會有一顆特製的紅外線足球,場地也有特別的分隔顏色,可以清楚地看出禁區與出界範圍。比賽分為分為上下兩場單淘汰賽,在比賽前有5分鐘的調整時間,可以在比賽桌上進行場地設定與練習。比賽途中機器人若需要離場進行設定調整或是維護的話,必須滿1分鐘後才可入場,這項規定對整場比賽的風向影響很大。

比賽一開始是由兩隊選手進行手動啟動,之後就完全交給攻擊機器人自主進行找球、持球、進攻、閃避和射門等動作。若是雙方機器人僵持不下而導致機器人卡住時,裁判會把兩方機器人分開一段距離。當球滾到界外時,裁判會把球放置到離場中最近的直線距離內,這時候會看到雙方的攻擊機器人以非常快的速度去搶到球的控制權,現場氣氛緊張刺激。防守機器人會一直盯著球不放,其負責的任務就是防止對方射門,也需要特別防止「烏龍球」(不小心踢進己方球門)的發生。在最後計分時如果是平手,「烏龍球」就會是改變勝負的一大關鍵。

9S
魔法隊獨特的背後開球。

本次四強賽中,有遠從花蓮縣來參賽的「我愛黃海龜」,和臺南市的「我愛第一」,另外兩個隊伍則是同樣都來自臺中的「魔法隊」和「Legend隊」,每個隊伍都有自己一套獨特的進攻方法與戰略。冠亞軍賽為臺中市的同鄉大對決,最後「Legend」使用了特別修改後的程式與穩扎穩打的戰略擊敗了「魔法隊」,奪得冠軍寶座。

「魔法隊」雖然屈居第二,但他們的作戰策略非常令人耳目一新。他們以獨特的背後開球讓人留下強烈印象,賽後詢問了解後,原來這是前幾屆WRO 的規定,負責攻擊機器人的選手為了程式邏輯上的習慣,決定承襲之前的開場方式。攻擊手的進球方式也非常特殊,在八強與四強賽中,他們採用持球到球門正前方再把球射入的方式來作戰。不過在四強賽中曾發生攻擊手不小心被關機的突發狀況,導致攻擊手必須離場重新啟動。

冠軍和亞軍都使用到NXT和新的EV3主控制器,為了因應各種突發狀態,機構都有方便現場臨時更改的設計;電池的部分也都會準備兩顆電池,防止沒電。「Legend」的成員賽前都在學校練習到晚上,也常和各校舉辦友誼賽累積經驗。雖然他們已經連續比賽兩天,忍不住透露出疲勞的神情,但還是非常熱情地分享奪冠的方式,與自己對足球機器人的獨特見解。他們也表示:平常練習機器人足球時最主要是以交朋友的心情進行友誼賽,互相交流增進雙方的實力,撰寫程式時也可以增加自己的邏輯思考能力。他們也期待在國際賽中,臺灣機器人可以打進全世界前五名。

10S
雙方攻擊機器人在球門前對峙,氣氛緊張。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 臺中市立中平國中 Legend 廖偉勝、林弘軒
2 臺中市臺中高工/崇倫國中 魔法隊 陳旻暄、莊勝傑、林承謙
3 花蓮縣國風國中/慈濟附中國中部 我愛黃海龜 陳子濬、鍾安、葉品豐

 

佳作 臺南市大灣高中國中部/崇明國中 我愛第一 葉貴煌、蔣沅均、朱芳霆
佳作 苗栗縣苗栗農工/竹南國中 我不是光頭 張景程、廖家問、韓志昀

創意賽

今年的大賽主題為「機器人與太空」,留給各個參賽隊伍非常廣闊的想像空間,參賽者必須發揮想像力與創造力,思考機器人要如何幫助人類征服充滿未知的外太空。

創意賽採取評審計分制,評分項目有:研究計劃、程式、機器人設計、報告呈現、團隊表現等項目。各個隊伍都分配到一個攤位,並將攤位設計得別出心裁。有隊伍把攤位製作成火星地表;有隊伍把攤位的上空遮蓋住,模擬在太空的情景;也有隊伍使用投影機表現出星空的感覺,創意無限。有些隊伍就連服裝都經過精心設計與製作,正是為了想讓來參觀的民眾與評審能夠更加融入情景。以下將介紹在創意賽國中組中,令筆者印象深刻的幾個參賽隊伍。

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創意賽著重展示與發表,參賽者無一不精心布置攤位,並附上詳盡說明。

來自高雄市的「英明龍華聯合隊」是場中罕見地採用3D 角度在地球上模擬太空環境的隊伍之一,他們的維修機器人可以在白色圓桶(太空站)上移動,卻不會因為地心引力而墜落。其中的原因是他們採用了磁鐵,讓機器人可以吸附在鐵桶上而抵抗地心引力。在照片中,鐵桶上的機器人可以靈活的向任何方向移動,上面還裝置了電動起子,模擬在太空中修理的過程,臨場感十足;下方的機器人雖然只能進行圓形運動,但是其手臂卻可以延伸出去,模擬太空站和太空梭接合,讓參觀民眾嘖嘖稱奇,也順利取得晉級資格。

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「英明龍華聯合隊」的機器人藉由磁鐵的吸力,自由地在白色圓桶上移動。

來自桃園的「旅行者0 號」隊把機器人製作成穿戴式裝置,讓機器人與人類結合。其作用並不是增加力量,而是用來訓練人類的肌力,防止人類在無重力空間停留太久,導致降落在地球時發生肌力不足、無力行走等情形。這臺機器人的使用方式是安裝在身上幫助人類運動,讓人類可以在太空站內部藉由裝置訓練肌力。主講者自己親身示範的樣子十分醒目,讓參觀者都特別駐足聆聽。

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「旅行者0 號」製作出與人類結合的穿戴式機器人。

來自高雄市的「CS 特勤隊」,主題大綱是防護地球的安全。他們不只使用製作好的模組,也把物理課上所學到的知識加入到專題中,成功地靈活運用所學,自行組裝出電磁炮與雷射。雷射的功率可以把氣球射破,因此使用氣球來模擬隕石,電磁炮則模擬太空中負責銷毀垃圾的發射器,把垃圾從地球向外太空射出,讓垃圾自行燒毀。其中電磁炮的電源供應使用了大量的電容與電池,看起來十分有震撼力。

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「CS 特勤隊」的電磁砲主機。

來自新竹縣的「S.K.C」在攤位上建構了一個黑盒子,還有一個充滿程式碼的螢幕,非常有科技感。團隊成員表示螢幕中的程式是自行撰寫的,將樂高與電腦軟體結合,目的是想要模擬飛行背包的飛行。在地球上因為有地心引力,要靈活地飛行並不簡單;為了解決這個問題,他們建構了一個可以靈活運動的機構,並且在盒子中架設攝影機,用場外的螢幕將相機所照射到的景象播放出來。在移動機構方面則採用了齒輪組,降低移動的速度,模擬在太空中獨自飛行所感受的緩慢景象感變。這並不是要製作出一個可以符合現實環境時速的機構,而是從參觀者的角度去設計這個模擬器,可說是匠心獨具。最後他們也因為這個細膩的巧思而如願拿下冠軍。

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「S.K.C」的模擬飛行背包從參觀者的角度出發,模擬太空飛行的感受。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 新竹市光武國中/虎林國中 S.K.C 陳懷平、蘇柏瑄、郭宥成
2 高雄市英明國中/龍華國中 英明龍華聯合隊 涂光毅、紀聖堯

除了上述的國中組外,創意賽國小組由桃園成功國小「奇幻隊」與來自花蓮的「隨星所欲」隊取得國際賽資格。成功國小一直以來都是WRO競賽的常勝軍,過去已代表臺灣參加過多次WRO國際賽事,本次則以「探測小行星——挖礦尋資源」為主題奪冠,創下六連霸的紀錄。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 桃園成功國小 奇幻隊 黃渝桓、朱彥亭、黃信融
2 花蓮東華實小/慈濟附中小學部 隨星所欲 顧懷允、顧崇懷、王子承

創意賽高中組脫穎而出的是來自新北市的「馬首是瞻」隊與臺中市的「G1」隊。「G1」以「太空拓荒計劃」為主題,製作出可在火星上放下植栽室的植栽車。其概念是利用植物的生長來改善火星上的氣體,並提供充足的食物供未來移民使用。車子的前方裝上了影像鏡頭,可透過電腦螢幕看到行駛畫面;另外,也裝上了土壤濕度感測器與溫度感測器,用來尋找適合植物生長的環境。植栽室的部分設計成可自行運作的狀態,安裝了太陽能板與光源感測器,光值偏低時可切換為使用蓄電池供電的模式,並利用土壤濕度感測器感測是否需要澆水。面面俱到的想法使他們從眾多選手中獲得評審青睞,順利得到冠軍。

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「G1」隊向評審介紹他們所構思的「太空拓荒計劃」。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 臺中市臺中高工/馬禮遜美國學校 G1 林庭宇、林祐正、李泓寬
2 新北市恆毅中學 馬首是瞻 羅冠博、顏緯婷、吳柏毅

總結

在本次的WRO全國總決賽中,不但看見許多別具巧思的作品,也讓我們進一步探索了太空科技的可能性。雖然有些專題乍看之下可能會覺得「這有可能實現嗎?是不是有點太理想化了?」但在科學技術突飛猛進的現代,任何創新的想法都有可能成為前進的助力。而在臺灣,實際上也有許多人正在為發展本國的太空科技而努力著(如前面專訪中所提到的ARRC火箭隊),希望每次的比賽都能播下一顆顆會在未來發芽的種子,推動臺灣的科學產業;同時,也期望臺灣代表隊能在俄羅斯國際大賽中取得佳績,讓世界看見我們的機器人實力。

比賽成績公布

http://www.era.org.tw/main/news/

 

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2014/11月號

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馥林文化是由泰電電業股份有限公司於2002年成立的出版部門,有鑒於21世紀將是數位、科技、人文融合互動的世代,馥林亦出版科技機械類雜誌及相關書籍。馥林文化出版書籍http://www.fullon.com.tw/

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臺灣發展地熱發電到底可不可行?(上)
PanSci_96
・2023/01/29 ・3376字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

2022 年 3 月臺灣政府正式公布了「台灣 2050 年淨零排放路徑藍圖」,我們在先前的影片也有聊到,2050 淨零排放就是要讓台灣的總碳排放量,再扣掉人為捕捉移除的量之後歸零。

直觀來說,極低碳排放的再生能源電業,在淨零排放上勢必扮演重要角色。這次我們要來聊聊除了太陽光電和離岸風電之外,大家也非常期待的綠色能源——地熱發電,談談地熱發電究竟是什麼?有發展的可能嗎?

什麼是地熱發電?

大家學過地科都知道,地球內部處於極高溫狀態,而這股地熱能,會隨著地函對流和熔岩,被帶至地表附近。

地函對流。 圖/wikimedia

人類很早就懂得利用地熱資源,例如你我曾經泡過的溫泉,就源自於被地熱加熱的地下水。換言之,地熱能是地球自然產生、乾淨的再生能源。若拿來發電,就是所謂的地熱發電。

地熱發電擁有不少優點,包括使用腹地小、碳排放低、低污染、抗天災等,更沒有目前太陽能發電和風力發電最為人詬病的不穩定問題,可以 24 小時全天候提供電力。若能妥善開發和利用,不失為未來全球再生能源供給的重要選項。

臺灣地熱潛力為何?

說得再理想,還是要先回答一個關鍵:臺灣的地熱潛能到底有多少?這邊要介紹一個名詞:地溫梯度(geothermal gradient),它指的是地球內部隨深度增加而使得溫度升高的變化率。

地球內部的溫度曲線示意圖。 圖/wikimedia

一般來說,在地表附近,每往下一公里,溫度就上升約攝氏 25 到 30 度;但是,在靠近地球構造板塊邊界處,溫度梯度較高;也就是說,往下同樣的深度,會得到比較高的溫度。在這些地區,要進行地熱發電明顯比較有利。

而臺灣正好位於菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊的交界,因為兩個板塊的互相擠壓,使得地殼隆起而形成。

因此,臺灣不但多地震,就先天條件來說,似乎也是地熱潛力值得期待的區域。

可惜的是,根據上個世紀的地熱評估文獻,臺灣的地熱發電潛能最多不會超過 1000MW,這個數字是多少?我們作個對照,核四兩部機組的總裝置容量是 2700MW。

若再考慮這些地熱的位置和環境,不見得都適合開發,所以可實際運用的地熱就又更少了。對此,工研院甚至曾推估,其中真正能拿來發電的地熱,只有 150MW。

這麼說來,我們大概不用指望地熱發電,只能洗洗溫泉睡了,或頂多只能有小型的發電規模。

不過,代誌(tāi-tsì)不是那麼簡單。當談到地熱資源多寡的時候,就跟為人處世一樣,我們至少必需要留意兩個要素:溫度和深度。很顯然地,當溫度不夠高,地熱發電就沒效率;另一方面,既然地底越深處溫度越高,我們只要一直挖、一直挖、挖得夠深,總是可以得到足以發電的高溫。

前面說到臺灣地熱發電潛能最多不到 1000MW,事實上考慮的是溫泉地區中,離地表比較近、最容易開發的地熱。若往更深的地方探勘,又是另一番風景。

地熱發電,除了考慮溫度還要考慮深度。 圖/envato.elements

在習慣上,國際常分別用淺層地熱(shallow geothermal)和深層地熱(deep geothermal)的稱呼來區別深度不同的地熱能。但要值得留意的是,要多淺才叫淺層、多深才叫深層,並沒有全球一致的定義,反而依各國情況而定。

近年來,在國科會的能源國家型科技計畫支持下,臺灣大學的研究團隊分析了大屯火山群、宜蘭地區、廬山地區和花東地區共四個區域的資料,發現海拔高度 1000 公尺以下、地底深度 4000 公尺以內,且地溫高於攝氏 175 度的地熱蘊藏發電容量,可達 33640MW。換句話說,約等於 12 座核四。

既然臺灣蘊藏了這麼高的發電容量,那我們還不趕快開發開個爆嗎?

地熱發電原理與技術

這就會牽涉到現實中,地熱發電技術的發展。

理想狀況下,地熱資源的構造,大致可以用這張圖來表示。最下方是熱源,熱源之上稱為儲集層(reservoir),再上方則是由緻密岩石組成的蓋層(caprock)。

地下水會經由地層裂縫進入儲集層而受到加熱。因為蓋層的阻擋,大部分熱水或水蒸氣會在儲集層進行熱對流,而少部分的水或蒸氣則可能會透過蓋層的裂縫,從地表竄出,成為溫泉或是噴氣孔。

就傳統的地熱發電來說,地底需要三個條件,豐富的熱源、充足的地下水,和良好的滲透率,讓水可以在其中流動,這三者缺一不可。在具備這些條件的地方,汲取地熱能量相對容易。

如果從地底出來的水是蒸汽型態,我們可以直接利用,讓蒸汽通過渦輪機,產生電力,稱為乾蒸汽(Dry Steam)發電,這也是最古老的地熱發電方式。只不過,這麼好的條件可遇不可求。

若存在地底的是攝氏 180 度以上的高溫熱水,當這些熱水從高壓環境抵達地表的低壓貯存槽,因為壓力降低,會迅速轉變成氣體,推動渦輪發電機,這稱為閃發蒸汽(Flash Steam)發電,同時也是目前最普遍的地熱發電方式。

要是地熱資源的條件沒那麼好,比如說,世界上大部分地方,地溫梯度並不高,就算挖得很深,地下水溫就是不熱,怎麼辦呢?就像教授在課堂上講笑話,大學生托著腮毫無反應一樣,那就找批笑點很低、又很有精神的小學生來吧!

近來,許多的新建地熱發電廠採用所謂雙循環(Binary-Cycle)發電方式,當溫度沒那麼高的地下水到達地表後,會在熱交換器(heat exchanger)與另一種流體交換熱能,像是正戊烷(Pentane)或丁烷(Butane);它們因為沸點很低,所以在接收到地下水的熱能後,會轉變成氣態並推動渦輪,產生電力。雙循環系統的好處是適用更廣大的區域,而且對溫度的要求不高,甚至有攝氏 57 度就成功發電的紀錄,但缺點就是發電效率較低。

目前世界上的地熱發電廠,主要都是用以上三種方式進行發電,深度約在 1.5 公里到 2.5 公里左右。然而,正是地熱發電技術的瓶頸,成為臺灣大規模開發地熱資源的難處之一。但這些難處,其實也有技術可以破解!

臺灣地熱的先天條件、侷限、破解之道

上述的地熱發電方式,至少都需要有充足的地下水或地下流體,和良好的滲透率;就算溫度不夠高,也還可以用雙循環系統來彌補。

但在臺灣,深度較淺、容易探勘與利用的地熱資源,發電潛能最多也不過前面提及的 1000MW,而且還得再扣除不適合開發的地區。如果想大規模進行地熱發電,就勢必要往更深處的地熱資源著手。

然而,我們卻沒辦法保證潛在的地熱資源,都具備充足的地下水跟良好的滲透率。有很大可能是,地底深處儘管溫度夠高,卻沒有水也沒有適當的裂隙。這也是全球地熱發電發展腳步緩慢的原因之一。

為了克服此一問題,這些年來陸續有不同的提案出現。而國際上最常被提及的解方,就是所謂的增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System),簡稱 EGS。

EGS 在嚴謹控制的環境下,以高壓朝地下深處注入冷水,迫使岩石原本既有的裂隙擴大,人為創造良好的滲透率。

這些冷水在吸收地底的高溫之後,又會回到地表作為發電之用。一旦發電完畢,這些冷卻下來的水又會被注入地底,如此往復循環。有如開了二檔的魯夫。

整套方法在 1:05 有動畫呈現。

這樣聽起來,增強型地熱系統似乎很不錯,降低了地熱發電的環境限制門檻。但是,它也存在一些問題。

首先,往地下注入的水,其流動取決於人為擴大的裂縫,但我們並沒有辦法保證裂縫方向符合需求,所以會有很多水是沒辦法回收的;二來,它也有引發地震活動的可能性。這些都是使用 EGS 進行地熱發電時,要實際考慮的問題。

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強核力與弱核力理論核心:非阿貝爾理論——《撞出上帝的粒子》
貓頭鷹出版社_96
・2023/01/28 ・1733字 ・閱讀時間約 3 分鐘

非阿貝爾理論

量子色動力學與弱核力理論有個更為奇特的性質,兩者都是「非阿貝爾理論」 (non-Abeliantheories)。非阿貝爾的意思是強核力與弱核力理論核心(參見【科學解釋 6】)的對稱群代數是不可交換的。簡單來說就是「A 乘 B」不等於「B 乘 A」。

一般人的常識會告訴你,如果隨便拿兩個數字 A 和 B,用 A 乘 B 的結果永遠會和用 B 乘 A 一樣,你用計算機怎麼試答案都不變。一個袋子裝三塊錢、兩個袋子總共是六塊錢;一個袋子裝兩塊錢,三個袋子總共還是六塊錢。

如果隨便拿兩個數字 A 和 B,用 A 乘 B 的結果永遠會和用 B 乘 A 一樣。圖/pixabay

這件事對數字永遠都成立,是千真萬確的事實。然而,我們有個很好的方法能定義出一套數學架構,其中的 AB 不等於 BA。實際上,數學家已經鑽研這個領域很多年了。

條條大路通數學

或許更驚人的是,物理學家竟然也在許多地方應用這套數學,因為某些和物理學相關的事物也是 AB 不等於 BA。矩陣就是我們表示這些東西的一種方式。現在我在倫敦大學學院為新生上的數學方法課就有介紹矩陣力學。以前我的學校制定了一套「新數學」的課綱,所以我在年僅十五歲的時候就多少認識一點矩陣了。

數學的一個矩陣是一群按照行列排列整齊的數字。把兩個矩陣 A 和 B 相乘,會得到另一個矩陣 C,方法是把對應的列和行上面的數字依序相乘。

這種矩陣聽起來可能不像某部電影裡面那掌控一切、創造虛擬實境的超級電腦一樣迷人,卻有用的多。這部電影的角色身穿黑色皮衣,還有出現著名的慢動作躲子彈鏡頭

慢動作躲子彈鏡頭。圖/giphy

我來舉個例子。

你可以用一個矩陣來描述你移動某個物體的結果。相乘的順序(AB 或 BA)在這個例子有明顯的區別。物體先在原地轉九十度再向前直直走十公尺,和先走十公尺再轉九十度,兩種移動方式最後的終點顯然不會相同。假設矩陣B代表旋轉,矩陣 A 代表直行,那麼合在一起的「旋轉後直行」就是矩陣(C = AB);這和「直行後旋轉」的矩陣(D = BA)必定不會相同。C 不等於 D,所以 AB 不等於 BA。要是 AB 和 BA 永遠相同,我們就沒辦法用矩陣來描述這類的移動過程了。正是因為矩陣的乘法不可交換―非阿貝爾,這個工具才會如此有用。

數學和真實世界密不可分

在狄拉克試圖要找出能描述高速電子的量子力學方程式時,矩陣被證實是他所需要的工具。實際上,電子有某項特性讓狄拉克不得不使用矩陣來表示它,這項特性與他描述電子自旋的語言同出一轍;所有原子的行為和元素周期表的規律,都與自旋有深刻的關聯。除此之外,這個性質也啟發狄拉克去預測有反物質的存在。

數學和真實世界之間似乎有緊密的關係,這讓我讚嘆不已。優秀的研究要能解決問題、也要能提出好的問題。而問題永遠比解答還要多,為了研究我們要付出許多的時間和金錢,因此大家得做出抉擇。數學是威力極大的工具,能幫助科學家檢查實驗數據、並從結果當中尋找最有趣的新實驗方向。就算有些方法和結論,好比矩陣及反物質,看起來可是相當古怪的。

秉持著這份精神,我要在繼續討論希格斯粒子搜索實驗之前,先繞個路來講微中子,最後這回要介紹的是一個很重要的真實結果。2012 年 3 月 7 日,中國的大亞灣核反應爐微中子實驗(DayaBay Reactor Neutrino Experiment)發表了最新的研究成果。

One of the Daya Bay detectors.圖/wikipedia

他們的實驗結果不但對標準模型影響重大,也會決定粒子物理學未來的研究走向。如果你只想要繼續讀希格斯粒子的故事,大可跳過這一段沒關係,下一節再見。但是微中子的粉絲可千萬別錯過精彩好戲了!

——本文摘自《撞出上帝的粒子:深入史上最大實驗現場》,2022 年 12 月,貓頭鷹出版,未經同意請勿轉載。

貓頭鷹出版社_96
50 篇文章 ・ 20 位粉絲
貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。

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微擾理論:我們有沒有可能遮蔽了新的物理?——《撞出上帝的粒子》
貓頭鷹出版社_96
・2023/01/27 ・2632字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

對撞機能夠給出什麼答案?

物理學家想用大型強子對撞機來解答的重要問題,可以總結如下:在大型強子對撞機的能量級下,粒子物理的標準模型是否有效?「對撞機能量級」是個大大的躍進,因為其能量大小超越了電弱對稱破缺尺度;在這個尺度之上,兩種基本作用力相互統一,而 W 和 Z 玻色子、甚至所有其他基本粒子的質量,也許都是起源於此。

從空中鳥瞰大型強子對撞機的地理環境。圖/wikipedia

如果標準模型可以成功描述新能量範疇的現象,希格斯粒子應該就會存在,但看來不會有什麼其他的新發現;反之,如果標準模型失效,也許就沒有希格斯粒子了,不過背後一定會藏著稀奇古怪的事物。其實有個不易察覺的問題會左右這件事:我們究竟有多了解標準模型在此能量級下預測的現象?這並不容易回答。

一般而言我們並沒有能耐百分之百準確地解出標準模型。所有人都是用近似法。而絕大多數的近似方法之所以可行,是因為基本作用力的「耦合」,也就是強度,沒有很大。「耦合」就是在物理過程對應的費曼圖中,每個作用頂點帶有的值。(參見【科學解釋 8】)

微擾理論的應用

作用力的強度可以用一個數值來表示。如果說這個數值是 0.1,那麼兩個粒子交互作用的機率就會和 0.1 乘上 0.1,也就是 0.01 成正比。要是有三個粒子,機率就變成 0.1 的三次方,0.001,四個粒子的話就是 0.0001,如此這般。由此可知,如果耦合值很小,你就可以忽略比方說四個粒子以上的粒子交互作用―超過這個臨界值的項對於主要結果都只是極小的微擾罷了,因為前面至少會乘上 0.1 的五次方,也就是 0.00001。

可見更多粒子的反應項只會些微改變原本的結果而已。這就是「微擾理論」的例子,微擾理論廣泛運用於解決物理界和化學界中許多的問題。只要耦合值很小、也就是作用力很弱,這個理論就十分準確。

然而,這種近似法並不是永遠有效。微擾理論失效的地方大多涉及強核力、也就是量子色動力學。這就是為何大家要把這種作用力稱為強核力。我們不是故意要混淆視聽的,強核力的確和它的名字一樣難以應付。

舉例來說,在我們對撞質子,想一探其內部夸克及膠子的種類分布時,某些方面的資訊其實無法從先前所提的原則計算得到(參見 4.5 節)。除此之外,我們也無法算出夸克和膠子最後是如何結合成新的強子的。雖然大家手上有量子色動力學的限制條件,也有一些基本的能量守恆、及動量守恆定律,以及不少從其他地方得到的數據,卻無法用微擾理論。

由二個上夸克及一個下夸克所構成的質子。圖/wikipedia

原因在於強核力的耦合值非常接近一,不論幾次方都還是一。因此,不管你計算的對象是幾個粒子,得到的結果都不會收斂到某個可信的值。最終我們只好依據自己的經驗來猜測結果、或建立模型。而這樣的結論一直都有調整空間。

因此我們要嚴肅看待一個問題:大家在調整模型的時候,實際上可能會遮蔽了令人興奮的新物理。要避免這個問題,你得拿自己熟悉、以微擾理論計算的結果,連結上自己還不太明白、有調整空間的模型。我想像出一個比較毛骨悚然的情景來譬喻這件事――一具以精準預測架構的骨架,嵌在以最佳猜想組成的濕軟肉體內。

肉體的形狀可以改變。你可以重搥它的肚子,或捏它的臉頰(相對來說比較不痛);但是它有兩隻手兩隻腳,如果你打斷了某根骨頭,自己一定會知道。

用既有的知識探索未知

無論如何,大家利用電腦程式來把可塑的模型、與不易動搖的微擾理論整合在一起,而且絕大部分的工作都已經完成了;這種程式就是蒙地卡羅事件產生器(Monte Carlo event generator)。程式不但能編譯大部分我們擁有的粒子對撞現象的相關知識,同時也是個珍貴的工具,能協助物理學家設計新的實驗,並釐清既有的實驗對不同模擬數據會如何反應與解讀。「蒙地卡羅」這個名字有其典故,因為就和俄羅斯輪盤賭注一樣,這種事件產生器用上了很多隨機的數字。

這一切其實都牽涉到一點有趣的科學社會學。身為一位理論學家,有時你會因為投入某類蒙地卡羅事件產生器相關的研究而吃虧。你的一篇論文可能已經被引用了數千次,大家還是會說:「不過是電腦軟體罷了。」或是「這只是蒙地卡羅那類的玩意兒。」反之,要是你是發表一篇弦論的論文,又被引用這麼多次的話,你就能像個巨人般橫行全世界了。但說到底,弦論努力想預測的現象距離實證還是很遙遠,蒙地卡羅事件產生器卻可以實際解釋數據。

蒙地卡羅事件產生器雖然不是唯一的辦法,大致上仍是物理學家在理解標準模型的意義、與儘量試著利用模型精確預測現象時,所付出的一份心血。

粒子物理標準模型。圖/wikipedia

雖然和大型強子對撞機的學界相比,蒙地卡羅事件產生器的研究社群規模較小,但相對來說,這個領域的成員盡的心力甚至不會比大家建造對撞機的付出還要少。美國物理學會也許是考量到了這一點,將 2011 年的櫻井獎(J.J. Sakurai Prize)頒給在這個領域工作的三位理論學家,分別是韋伯(Bryan Webber)、阿塔瑞利(Guido Altarelli)、斯舍斯特蘭(Torbjörn Sjöstrand)。頒獎典禮的引言如下:

因為三位物理學家的洞見,我們得以縝密驗證粒子物理的標準模型,實現高能物理實驗的目標、並從中學習量子色動力學、電弱交互作用、與可能的新物理的確切知識。

我很開心他們獲獎,因為其中兩位是我很親近的朋友,也更是因為三人所寫的計算方法及程式對大型強子對撞機幾乎所有的研究都十分重要,像是確保大家不會在不知情的情況下遮蔽任何新的物理。當前,我們正在嘗試確認希格斯粒子搜尋實驗的不定變數大小,並縮減其數量;人人都在尋找關鍵的三標準差證據、甚至是五標準差的大發現。為了這個目標,許多人夜以繼日持續比對新的數據和蒙地卡羅事件產生器的結果。

——本文摘自《撞出上帝的粒子:深入史上最大實驗現場》,2022 年 12 月,貓頭鷹出版,未經同意請勿轉載。

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貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。