替代能源的興起

• 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。

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。」

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。

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。

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。」

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」。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 採訪撰文｜郭雅欣
• 美術設計｜林洵安

回收廢熱的熱電材料

在全球面臨能源轉型之際，再生能源的發展大多著重在太陽能、風力、水力、生質燃料等。然而近年，隨著奈米科技的發展，可將廢熱轉為電力的熱電材料也逐漸嶄露頭角。中央研究院物理研究所陳洋元研究員踏足熱電材料的研究已有十幾年，在他眼中，熱電材料極具能源發展潛力。

熱電轉換再興起

身處能源轉型的關鍵時刻，我們不由得擔心，再生能源真的足以補上電力缺口嗎？還有沒有其他新興的發電方法呢？有的！用廢熱發電，聽起來很不錯吧？畢竟在日常生活中，我們也受夠廢熱了。汽車、冷氣等機械廢熱，加上太陽的輻射熱等，這些煩人的廢熱如果能拿來發電，實在是個好主意。

熱電材料就是熱生電的關鍵，它能將（沒用的）熱轉化成（好用的）電。近年來，熱電材料逐漸發展起來，中研院物理所研究員陳洋元從 2006 年起開始研究熱電材料，他說：「熱電材料的發電效率已經有很大的進展！」在不久的未來，熱電材料的應用將愈來愈廣泛，成為能源轉型時代的重要一角。

熱電材料的歷史要回溯到 200 年前，德國科學家西貝克（Thomas Seebeck）在 1821 年發現，材料兩端的溫度差會形成電位差，稱為「西貝克效應」。也就是說，同一種材料只要兩端溫度不同，兩端之間就會產生電壓；反之，在材料兩端賦予電壓時，兩端之間就會產生溫度差。科學家因此定義了西貝克係數 S = ^∆V⁄_∆T，表示同一種材料下，溫度差愈大，輸出電壓越大，「換句話說，一個有溫差的材料，等於可以視為一個乾電池。」陳洋元解釋。這便是熱電材料的基本物理機制。

找出最優質的熱電材料

由於每一度溫差產生的電壓就是「西貝克係數」，直觀來說，西貝克係數愈大的材料，在同樣的溫差下輸出的電壓愈大，是愈好的熱電材料。不過陳洋元補充說，熱電材料除了西貝克係數要高之外，「導電性也要好，除此之外，導熱率不能太好，否則溫差一下子就熱平衡掉了。」考量各種條件之後，科學家訂出了熱電材料的優質係數 ZT 值=（^δS2⁄_κ）T，其中 σ 是導電係數、S 是西貝克係數，κ 是導熱率，T 是絕對溫度。

導電性好、西貝克係數高，而且導熱率要低。這是優質熱電材料的三大條件。

於是，研究熱電材料的科學家從幾十年前開始，便朝著符合這些條件的方向努力。陳洋元說：「金屬的導熱都太好了，並不適合當作熱電材料。目前主要的做法是用各種半導體材料，搭配不同的摻雜元素及比例，來找出最佳化的 ZT 值。」

全世界各研究團隊多年下來，針對各種材料組合及摻雜比例，找出了不少值得關注的熱電材料候選者（如下表）。「你可以從中發現，多數的熱電材料都是溫度愈高，ZT 值愈高，在 600°C~700°C 的高溫會表現得很好。」陳洋元笑說：「只有一種材料適合在室溫運作，就是鉍-銻-碲（BiSbTe），目前為止無人能出其右。而且科學家大概 50 年前就發現它了，它保持世界紀錄至今 50 年。」

控制晶格和缺陷，不讓熱傳過去！

找到優秀的材料搭配和比例還不夠！要提升熱電效果，還有一個重要因子：減低熱電材料的導熱率。微觀來看，就是精細地調控材料晶格或內部缺陷。

晶格是材料的骨架，熱的本質是晶格振動，而熱傳導的本質便是晶格裡的原子以振動方式將能量傳遞給鄰近原子。因此，阻礙能量傳遞的方式，就是調控材料內原子的排列，以期達到導熱差、導電好的最終目的。

理想上可以利用「超晶格」，當不同種類的原子像三明治一般層層交替堆疊時，界面的原子與鄰近原子尺寸、重量都不同，這會造成晶格排列不順暢（晶格不匹配），彼此的振動能量也不易傳遞，大部分都會反彈回來，也就達到「導熱不佳」的效果了。

種類不同、尺寸與重量皆不同的原子間，由於晶格不匹配，振動比較不易傳遞，導熱率因此降低。

陳洋元進一步解釋，超晶格的每一層材料厚度、比例都必須嚴格控制，「因為我們只希望導熱率降低，但不希望影響到電子的移動。」也因此，這項製程「非常困難，需要的設備也很昂貴。超晶格結構如果要做到一張紙那麼厚，可能必須鍍膜上萬次，成本很高，東西也做不大。換言之，超晶格在學理上可行，但實際應用上有困難。」

「我們可以選擇退而求其次的做法。」陳洋元說。例如在材料裡刻意摻雜一些雜質，或製造晶格的空缺，包括：點缺陷、空位、差排、疊差等。以這些缺陷的數量來控制材料特性，在盡量不影響導電的狀況下降低熱傳導率。「這是比較簡單可行的做法。」

熱電材料自有用武之地

熱電材料在實際應用上，發展得比其他再生能源慢，主要原因還是在發電效率不夠好。目前在室溫下最好的熱電材料，轉換效率約 3~4%，相較之下，太陽能發電目前的轉換效率約在 15~20%。這也是熱電材料在能源發展上較少被提及的主因。

「不過其實熱電材料在 600°C~700°C 的高溫下，轉換效率可以超過 10%。」陳洋元說。因此，幾年前美國一度打算將熱電材料用在汽車的廢熱回收，畢竟燃油引擎的油電轉換效率大約在 30% 左右。「剩下的 70% 都變成廢熱排出去了。如果能把其中 10% 的廢熱轉換成電能，等於是引擎效率的一大躍進。」不過後來，隨著電動車逐漸成為主流發展方向，這項應用也就失去關注了。

熱電材料就這樣無英雄用武之地了嗎？並不是。其實早在 30~40 年前，它就已經應用在太空科技上了。太空船或衛星發射到太空中之後，需要電能維持運作，除了太陽能以外，熱電也是重要的電力來源。陳洋元以航海家一號舉例，「它朝著太陽系外離去，過程中太陽光會愈來愈微弱，因此不能完全仰賴太陽能做為電力來源。」因此，航海家一號就有使用熱電技術，其中熱的來源是鈾、鈽等放射性材料，它們在衰變過程會放熱，與外太空趨近絕對零度的環境產生溫差，藉此發電。「這些放射性材料的半衰期是幾十億年，對我們來說像是萬年之毒，但對太空船來說，卻像是永恆的電力來源。」陳洋元說。

熱電轉換效率不佳，但對於缺乏電力來源、外界環境溫度極低，又不怕放射性汙染的太空科技來說，是很好的發電選擇。

此外，熱電材料不只能把熱轉換成電，也能反過來，利用材料兩端的電壓差回推來產生溫度差。也就是說熱電材料的應用不限於發電，它也能做為冷氣、冰箱等使用的溫度計；或是在熱電材料上外加電壓，產生電流，造成材料兩端的溫度差，做為冰箱、電腦 CPU 的致冷元件。

陳洋元也在近兩年，研究開發出薄型熱電晶片，裡面的結構是 128 對微小的 p 型、n 型半導體柱，就像 128 個小小的乾電池串聯一樣，能把熱電效應放大百倍。陳洋元解釋，雖然熱電效率不高，無法用在大型工廠等需要巨大電量的狀況，但這樣的晶片可以用來製作「熱電自充隨身電源」，應用在手機或電子手錶等隨身穿戴式電子裝置上，這類裝置需要的電量不高，但可能隨時有充電需求。「想像一下這樣的場景，你走在路上發現手機沒電了，於是拿出熱電自充隨身電源，利用自身體溫與室溫的溫差，幫手機緊急充電。」

隨著網際網路的發展，基地台熱點愈來愈多，這也讓陳洋元對於熱電材料的應用潛力更加樂觀。「在某些偏遠地帶，例如玉山的基地台，電力供給或許就不需要建置發電站，利用熱電材料（透過溫差發電的特性），只要送一桶瓦斯去就好，方便多了！」或者，熱電材料也能與太陽能互補，「因為太陽能發電使用的是太陽光，它的輻射熱並沒有被利用到，這一點可以用熱電材料來加強補足。」陳洋元說。

另外，陳洋元也正在與廠商合作，希望能製作中型、大型的發電機。陳洋元說：「一個熱電晶片大約能發 20 瓦的電，把 25 個晶片合起來，就能有 500 瓦。」儘管成本比一般發電機高，但熱電發電機具有輕巧、無噪音等優點，「我相信它在未來是一個機會。」

熱電材料的研究還在如火如荼的進展著，而陳洋元對它的未來也抱持著樂觀的態度。回頭看看熱電材料的優質係數 ZT 值，「只要我們想辦法降低導熱率，它理論上還能再拉高。」陳洋元說：「現在室溫下的 ZT 值最高是 1 點多，在不久的未來，我們很有可能就突破它了」

• 作者 / 江才健

自 2000 年左右，在加拿大等幾個國家，開始建造一些高樓層的木造建築，這些建築反映了近代建築技術的進展，也反映出人類面對宇宙環境的思維改變，支持木建築的這些「思維先行者」，一方面強調木建築在建築結構上的優勢，同時搭上近年流行成風的全球暖化現象，大力宣揚木建築在抑制碳排放方面的貢獻。

最古老的木建築

目前世界上一些比較著名的高樓層木建築，除了 2014 年在加拿大喬治王子市，高 30 公尺的八層木建築，還有 2015 年挪威蓋的 52.8 公尺高層木樓，2016 年加拿大英屬哥倫比亞大學蓋了 53 公尺高的木造學生宿舍，2019 年奧地利在維也納建成高達 84 公尺，包括飯店、公寓以及辦公室的木造高樓，美國則是 2016 年在明尼阿波里市開始，陸續還要在波特蘭以及紐約市建造木質高樓。

木質高樓並不是近代產物，到目前為止，世界上最古老的木造建築是山西應縣木塔，這個木塔始建於遼代，有一千年歷史，67 公尺的高度也還是目前最高的古木造建築。這個稱為「佛宮寺釋迦塔」的木塔，在山西北部靠近北嶽恆山的應縣，1992 年頭一次去中國大陸，有機會到山西參遊，曾經登臨應縣木塔，當時站在塔上，見四野低矮房舍，遠眺沃野平沙的北國景色，至今記憶猶深。

其實中國的木建築素有傳統，那回在山西的五台山，也看到更早建於唐代的佛光寺，佛光寺是目前保存最完整也最大的木造建築，這種木建築的建造技術，歷代累積，到北宋由李誡彙編成《營造法式》一書，成為木建築工藝智慧集大成的經典著作。《營造法式》總結了木造建築工藝的實作經驗，雖說對木造結構的施作提出規範，卻依然保留極大的隨意性。

在《營造法式》中討論的木造建築工藝，對於檐梁斗拱，頂柱結構的施作，都有其規範，特別的是利用木質材料的特質。木結構的結合，不用外加釘粘，是以榫卯接合，保持木質材料的彈性特質，充分利用自然巧力，也使木建築具有對抗如地震外力的彈性，展現中國木建築的豐富創造力，以及其背後的一種宇宙思維傳統。

會呼吸的木建築比鋼筋水泥更環保

近代的木造高層建築，雖說材料是採用了木材，但是其技術則是沿襲著近代建築科技的思維。工程師主要以特殊膠合方式開發出強應力的層板，這些交叉層壓板應力強，重量輕，可以準確切割，用於建造木建築的不同結構，以技術理論來說，這些木結構建造建築可以達到的高度，應該沒有局限。

木建築本來的一個弱點，是容易燃燒，歷史上也曾經在倫敦、紐約等城市發生大火，現代的木材質建築，比起不可燃材質的建築，遭火焚的損害容易預見，而且木質外層炭化後能保護內層免於祝融，不會有鋼材熔化和混凝土脆化問題，更能夠保持結構完整。

木質建築近年受到重視的一個原因，與全球暖化的碳排放問題有關。木材本來可以蓄存碳，如用於燃燒，其中所蓄存的碳就回到大氣之中，木材如用於建築，碳就一直蓄積其中。目前人類使用的木材，只占森林增長的 20%，推廣木建築並不會造成大的問題，而且生產鋼材與混凝土所造成的大量碳排放，更不利於控制暖化問題，會呼吸的木建築，正是目前當令的綠建築，冷卻與加熱需要的能量，比起混凝土鋼材建築都更為節省。

推動木造建築目前主要是在美國與歐洲，美國的鄉間住宅 80% 已是木造，開採木材大約是每年森林增長的三分之一，歐洲多數建築使用的還是鋼材與混凝土，根據一份芬蘭政府的報告，歐洲利用木材於建築到 2010 年只增加了 4%，還有不少增長空間。

傳統思維與現代科學的揉捻

在這些技術性的問題背後，其實有一個更為根本的自然思維問題。中國長久以來的木建築傳統，孕生自文化傳統對於宇宙的思維，那就是「厚生利用」，建築房舍木材的供取講究平衡，所謂「斧斤以時入山林」，對於木材的使用，也是因勢採擷，在木造結構中也充分利用各種木質材料，所謂的榫卯接合正是出於此一思維。

這樣的宇宙自然思維，其實與西方科學思維大為不同。近代科學講究的，是究簡近因果以達立竿見影之效，由物質宇宙的觀察入手，到理論模型的建構，莫不如此，在建築技術方面，也是以加大建材抗應力安全係數方式，完成建築物的建構，其結果是建築物完成快速，卻沒有講究所謂的結構最佳化。我們可以看 20 世紀大蓋的河川水壩，那正是近代鋼材混凝土建構技術的產物，這些大量構築的水壩，確實很快發揮蓄水防洪以及發電的多重效果，但是卻也很快出現負面後果，譬如河流生態的巨變，而蓄集水庫的淤積情況，甚至危及水壩安全到不得不拆除的地步。光以美國為例，在全國的大約八萬五千座水壩中，半數已不能發揮原來的預期功效，自 21 世紀以降，拆除的水壩已經超過一千一百多座。我們可以舉一個不同的例子，那就是在四川成都平原的都江堰，這個攔截利用岷江河水的水利設施，並沒有採行強力的攔蓄，而是因勢利導的順應自然之力，達到分洪和灌溉目的，雖說近代都江堰也增加了小的水壩，但整體上依然維持原本順水利導的思維。這個戰國時代由李冰父子修築的水利設施，竟能歷兩千年持續發揮功效。

如何由《營造法式》和都江堰的自然思維，看到傳統文化的木建築智慧，超越當前木建築新趨勢所依循簡近因果、立竿見影的近代工程科學思維模式，是很值得我們思考的。