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凜冬將至,讓熱泵成為抵禦寒冷的烈焰,讓熱力學做你荷包的鐵衛─節電宜蘭縣篇

自己的電自己省_96
・2015/11/28 ・2192字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 585 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

文/廖英凱(泛科學專欄作者)

對於非在地居民來說,講到宜蘭時,絕對不免俗地想到會想到蘭陽的好山好水、美味可口的小吃「等路」、以及舒適放鬆的的溫泉和特色民宿。精緻特色觀光業的蓬勃,絕對是近年來宜蘭發展的重點。當然,觀光產業對於「舒適」的高標準,也帶來了更龐大的能源需求。以宜蘭服務業用電量前50家的業者來看,有26家就是旅館業者。因此,設法導入更好的制度或技術,讓業者能在維持服務品質的狀況下減少能源使用,絕對是一個值得努力的方向。而一個開發已久但仍不普及的「熱泵」技術,將能輕易對全天不間斷的空調與熱水供應來提升能源使用效率,大幅減少電費或瓦斯柴油等營業成本。

source:flickr / Stephen Butler

熱水的熱、冷氣的冷從哪來?

先讓我們來盤點一下熱水和冷氣是從何而來的吧。熱水的供應比較簡單直觀,利用燒瓦斯、天然氣或是柴油等來燒水;或是利用電熱水器裡的高電阻率導體來加熱;生活在陽光普照區域的話,還可以利用太陽的熱能來加熱水,簡單來說,都是把不同形式的化學能或電能,轉換成熱能來使用。

冷氣的由來就比較需要思考一下,因為「冷」是能量較少的狀態,並不是一種可以被轉換來的能量。常見的冷氣機、冰箱應該要說成是一種「移熱」的裝置,將室內或冰箱內的熱量,移到外界,因此冷氣室外機,或是冰箱背面的壓縮機,反而會比較熱。這個機制運用到了熱力學的「絕熱膨脹」與「絕熱壓縮」。「絕熱膨脹」常見的例子是輪胎放氣,或是高壓氣瓶在釋放時,會發現釋放出來的氣體溫度比較涼。此時壓力迅速減少,氣體因膨脹而對外界施加機械能,導致內能減少,表現出來的結果就是溫度降低。相反的「絕熱壓縮」,則是當快速增加氣體壓力時,外界對氣體做功但又沒有熱量散失,而使氣體溫度升高。將這兩個絕熱過程與兩套吸熱散熱系統結合起來的話,就是冷氣機的基本工作原理了。

圖片1
熱泵的運作原理。source:wikipedia

冷氣機的工作機制:

1.冷凝器:將高壓高溫的氣態冷媒,藉由外界的氣流或水流散熱成高壓中溫的液態冷媒。
2.膨脹閥:將高壓中溫的液態冷媒,膨脹成低壓低溫的液態氣態共存冷媒。
3.蒸發器:將低壓低溫的冷媒,透過室內機的風扇吹出「冷氣」,吸收室內熱量後而提高溫度後再送至壓縮機。
4.壓縮機:將低壓低溫的冷媒,壓縮成高溫高壓的氣態冷媒。

在這樣冷氣運作的過程中,室內不必要的熱被移到了室外成為我們無法使用的廢熱,但如果把這些冷氣排出的廢熱給收集儲存起來,例如將排出的熱能來加熱水,並利用有隔熱效果的儲水槽來儲存這些熱水以便後續利用,這正是個提高能源運用效率的好方式,這也就是典型的熱泵熱水器的工作原理:利用冷氣機的熱交換機制,來達到加熱的功效。

然而,冷氣也並非一年四季都要開啟,冷氣的使用需求強度也跟熱水剛好相反。因此,在屋內不用冷氣時,熱泵也可以改從大氣中來取得熱能。如同把冷氣反裝,或是內外機對調,此時的「冷氣機」會不斷從室外吸熱,再透過前述的循環方式,把熱能送回室內。若將這些熱加熱水後儲存,一樣可以有熱水器的效果。此種設計被稱為是「大氣取熱式熱泵熱水器」,有時也被稱作「太陽能熱泵」,利用的就是大氣中的熱能。這些散布在大氣中的熱能本來難以利用,如同我們沒有辦法利用氣溫來加熱水,但透過冷媒壓縮與膨脹時,相態變化的放熱和吸熱機制,就反而可以製造出熱能的流動,達到熱水、冷房,甚至是除溼的功能。

除了從大氣可取得熱能以外,事實上任何有熱源的地方,都可以作為熱泵熱水器的熱源取得途徑。例如像是空調系統、網路機房的熱氣;工業製造環境的高溫冷卻水;以及宜蘭礁溪得天獨厚的地熱與溫泉。近年來,還有將太陽能集熱板整合進熱泵熱水器,達到同時利用太陽熱能與大氣熱能的的「雙熱源型」應用。

圖片2
雙熱源型熱泵示意圖

然而熱泵熱水器的機組價格與安裝成本仍較傳統電熱水器或石化燃料熱水器來得高。但熱泵熱水器使用年限較長,在不同版本的評估中,預計可比傳統瓦斯熱水器省下五成至七成的能源費用。在安裝位置的條件上又如冷氣的壓縮機般,不若太陽熱水器非常仰賴日曬空間而不利於人口稠密區。今年度宜蘭縣政府所推出的智慧節電計畫中,也規劃對宿舍、醫院、旅館與游泳池等業者來推廣熱泵技術,預估可在這一年期間達到540萬度的節電成效。隨著寒冬與新春的旅遊旺季來臨,若能把握好裝設熱泵熱水器的時機,提供公開合理的補助方案,紮紮實實地輔助相關業者汰換設備。在凜冬來臨的時刻,將有機會是宜蘭展現節電成效,打造低碳旅遊的好時機!!

 

參考資料:

 

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自己的電自己省_96
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台灣能源主要都是進口的,但你知道嗎,我國有98%都是仰賴國外能源,所以節電只能靠你我做起,自己的電自己省!! http://energy-smartcity.energypark.org.tw/

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透過花粉考古認識古代氣候!——宜蘭 2 千年前的豪雨,竟和聖嬰現象有關?
科技大觀園_96
・2021/12/13 ・3861字 ・閱讀時間約 8 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

宜蘭梅花湖,林淑芬採樣沉積物的地點之一。圖/林淑芬

用花粉認識古代氣候

人類從古至今都受到氣候影響,想認識古代人類,勢必要了解當時當地的環境條件。考古領域中,擅長古代氣候的專家也有一席之地,中央研究院歷史語言研究所的研究副技師林淑芬,就扮演這樣的角色。

林淑芬在臺灣大學地質科學系就讀碩士班時,專注的題材是土壤。後來因緣際會進入中研院史語所工作,接觸到考古學,因此就讀博士班時改以花粉為主題,調查宜蘭近 4,200 年來的花粉紀錄,藉此探討古代的環境及氣候,與宜蘭史前文化發展的關係。這些工作令她成為臺灣罕見以花粉研究考古的專家。

植物是環境中重要的一部分,但是植物的組織幾乎難以留存;所幸小小的花粉不但輕、數量多,而且結構堅固,有機會長期保存。花粉專家只需要普通的光學顯微鏡,多半能識別到植物「屬」的層級,再加上電子顯微鏡,可以進一步分辨出「物種」。 

電子顯微鏡下的蒿屬花粉。圖/林淑芬

然而,環境中每種植物花粉留存下來的機率不一,光憑花粉不足以重建當時的地貌;不過比較各種植物花粉組成在不同年代間的變化,推論氣候、環境在不同年代的改變,倒是十分合適的分析策略。

林淑芬主要研究宜蘭的古代花粉,她從梅花湖、龍潭湖等地點採樣,分析地層中不同年代留下的沉積物,推測當時的氣候與環境。在取得豐富成果的過程中,她曾經犯下推論錯誤,卻意外成為目前新方向的突破契機,還連結到反聖嬰現象對臺灣史前文化的影響。這其中的曲折是怎麼回事呢?

茵陳蒿的誤會:耐旱植物,反而是豪雨指標

距今約 800 年前,宜蘭有大量茵陳蒿的花粉留下。一般認為茵陳蒿是長在沙地的耐旱植物,所以沉積物中見到大量茵陳蒿花粉,表示那時氣候乾燥,有利於耐旱植物大量生長。當時的考古紀錄也出現超過百年的中斷,即沒有人類活動的紀錄,林淑芬推論那時大環境乾旱,不利於人類生存。

然而,其他資訊令林淑芬懷疑自己早期的推論。詳細考察茵陳蒿在宜蘭的生長模式以後,林淑芬驚覺真相其實完全相反:耐旱的茵陳蒿,事實上是暴雨頻繁的指標!

羅東溪上游河床上的茵陳蒿。(圖/林淑芬)

宜蘭有些河流,在雨量少的季節地表水量不足,河水往往潛入地下成為伏流。乾涸的河床佈滿礫石,不利植物生長,只有如茵陳蒿一類的耐旱植物可以生存。在雨季或颱風帶來大雨時,河床恢復為流水的河道,乾季時生長在河床的植物會被沖走;等到再度進入乾季,茵陳蒿又會再次長滿河床。

上述狀況若是一再反覆發生,花粉記錄中茵陳蒿的出現數量就會大增。假如古代狀況一樣,意謂茵陳蒿大量生長的年代,其實是豪雨頻繁發生的時期;因此當時考古紀錄中斷,其實和降雨過多有關,而非氣候乾燥。

宜蘭的環境與考古記錄

藉由花粉及其他資訊,可以重建宜蘭古代的環境、氣候變化。宜蘭地形如同口袋般,三面被高山圍繞,一面朝向太平洋。冰河時期結束後,海平面上升。距今約 14,000 年前,海水逐漸湧入宜蘭平原地區;8,000 多年前,淹沒面積達到最大,當時宜蘭平原只有現在一半大。接著,海水漸漸後退,距今 3,000 年前,海水退到距離目前海岸線西方 2 到 3 公里處。 

丸山遺址。圖/蘭陽博物館提供

宜蘭最早的考古遺址可能距今達 5,000 年。在新石器時代早期、中期,整體上遺址數量稀少,位置接近海邊;到了新石器時代晚期(以丸山文化為代表),遺址數量增加;距今 2,400 到 3,600 年間,遺址幾乎都位於內陸的丘陵地帶,或許和平原被海水入侵有關。

有趣的是,宜蘭在距今 2,000 多年前之後,幾乎不再有人類活動的記錄,要等到 1,300 年前才恢復。距今 800 到 1,300 年間,宜蘭進入鐵器時代早期(以十三行文化普洛灣類型為代表),遺址分佈於海岸附近,接著便是上述提到超過百年的中斷期。直到距今 600 年前的鐵器時代晚期開始(以十三行文化舊社類型為代表),宜蘭平原上再度留下大量遺址。

宜蘭地區史前遺址分布圖。圖/林淑芬

宜蘭 2000 年前頻繁豪雨,竟然和聖嬰現象有關?

為什麼距今 2,000 多年前開始,人類在宜蘭消失那麼久?氣候應該是重要因素。不論河流沖積扇或湖泊沉積物,都見證當時頻繁的豪雨,而且比距今 800 年前的規模更大。那段時期出現不少赤楊屬植物的花粉,赤楊是所謂的先驅植物,通常在植被匱乏的地區搶先生長,若它們能留下大量花粉,意謂那個時期原本的植被遭到消滅。

不過數百年的龐大雨量也改變了宜蘭的地貌,創造出更平坦、肥沃的沖積平原,彷彿「都更」一般,令宜蘭平原成為更適合人類居住的地區,才有隨後鐵器時代的興旺。

非常有趣的是,宜蘭最近數千年來降雨量最高的兩個時段,距今 800 和 2,000 多年前之後一段時期,剛好都是聖嬰—南方震盪(El Niño-Southern Oscillation,簡稱 ENSO)最頻繁發生的時候。這令林淑芬想到:莫非太平洋遠方發生的 ENSO,也影響到遙遠的宜蘭? 

宜蘭梅花湖沉積物的氾濫砂層,可與熱帶東太平洋自距今 2,000 年前開始,ENSO 活動頻繁發生的時期相對應。上方為加拉巴哥群島 El Junco 湖泊的砂級沉積物百分比,中間為宜蘭梅花湖(MHL-5A 岩心)中的砂級沉積物百分比,下方為宜蘭梅花湖(MHL-5A 岩心)中的沉積物性質變化。圖/林淑芬

東北季風與颱風,共伴效應帶來豪雨

颱風以外,宜蘭降雨主要來自秋冬季的東北季風。假如颱風經過臺灣南方,當時又有東北季風同時出現,颱風的外圍環流與東北季風交互作用,便可能導致豪雨,稱為「共伴效應」。由於牽涉東北季風,共伴效應往往在 9、10、11 月上演。此時路過的颱風有機會變成共伴颱風,即使颱風沒有靠近臺灣,仍可能引發共伴效應。

林淑芬由蘇澳、宜蘭、竹子湖氣象站取得 1982 到 2016 年的降雨數據,和颱風等資訊比較,判斷這 35 年間至少出現過 18 次共伴颱風。有些颱風距離臺灣數百公里遠,臺灣甚至沒有發佈颱風警報,但是它們導致的共伴效應,仍帶給宜蘭龐大雨量。

反聖嬰年,共伴颱風數目最多

ENSO 發生的地點位於太平洋東部赤道一帶,卻可能帶來世界性的影響,使某些地區出現極端氣候。根據海洋聖嬰指標的定義,假如區域內的海洋表面溫度(SSTA)連 5 個月比平均高出 0.5 度,便定義作異常溫暖的「聖嬰年」;反之,則為異常寒冷的「反聖嬰年」。1982 到 2016 年期間有 13 年為正常年,聖嬰、反聖嬰年各 11 年。

18 次共伴颱風中,13 個正常年出現 2 次,11 個聖嬰年出現 5 次,反聖嬰年最多,11 年出現 11 次。研究鎖定的 35 年間,共伴颱風在反聖嬰年出現的數量、比例都最高。例如 2010 年的梅姬颱風,就是反聖嬰年在宜蘭帶來豪雨的共伴颱風。

熱帶太平洋地區 1982-2016 年 Nino 3.4 海洋聖嬰指標(Oceanic Niño Index, ONI)隨時間變化圖。黃色菱形符號為宜蘭地區的秋季共伴颱風事件;位於紅色區塊為聖嬰年,發生 5 次,藍色區塊為反聖嬰年,發生 11 次,未填色區塊為正常年,發生 2 次。圖/修改自林淑芬,2018,《大氣科學》。

反聖嬰年為什麼有更多共伴颱風?一個可能是反聖嬰年颱風生成的位置距離臺灣比較近,路過臺灣的機率更大;另一個可能是反聖嬰年的東北季風比較強,不過仍需要更多證據。ENSO 會不會、如何影響臺灣,至今仍沒有定論。假如推論正確,表示儘管臺灣距離遙遠,至少在擁有獨特口袋地形,能突顯共伴效應的宜蘭,仍然會受到 ENSO 的影響。 

林淑芬認為,在反聖嬰年,東北季風與颱風發生共伴效應的事件較多,帶給宜蘭龐大雨量。圖/何庭劭繪

不過上述研究對象是現代,該如何應用於千百年前的考古?古代 ENSO 事件沒有這麼詳細的逐年解析度,只能估計一段時間內發生的頻率;對照之下,發現古代宜蘭降雨量高的時期,ENSO 的頻率也高。假如 ENSO 透過共伴效應影響臺灣,可以想像宜蘭受到的影響最大,而考古上宜蘭人類消失的時候,周圍的臺北、新北、花蓮仍持續有人居住。 

宜蘭平原。圖/林淑芬

上百年頻繁豪雨,應該不會只有單一成因;人類活動除了氣候之外,也還受到許多因素影響。不過透過古代花粉、最近的氣象記錄,林淑芬依然找到一條很有價值的線索。倘若歷史上 ENSO 真的影響過臺灣,或許不只限於宜蘭,也在臺灣其他地區造成過不一樣的影響——這也是林淑芬接下來希望回答的問題。

即使如今科技水準遠勝古代,現代人依舊受到氣候影響。研究現在能找到認識古代的線索,了解古代也能替現在帶來指引,這是考古學研究過去,對現在的一大意義。

參考資料

  • 林淑芬,2008,聚落發展與自然環境變遷——以宜蘭地區史前為例,《臺灣史前史專論》
  • 林淑芬,2018,宜蘭地區秋季共伴豪雨與聖嬰—南方震盪的遙相關,《大氣科學》
  • 林淑芬,2019,大地脈動下的宜蘭史前先民,《地質,38卷,第4期,第66-70頁》
科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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前方高能注意!你知道可以用「熱」發電嗎?把廢熱變能源的黑科技──熱電材料
研之有物│中央研究院_96
・2021/09/06 ・4237字 ・閱讀時間約 8 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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。

圖片為熱電材料的基本特性。同一個熱電材料,若給予兩端溫度差可以產生電壓(西貝克效應);若給予兩端電壓則會造成溫度差(皮爾特效應)。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)
圖片為熱電材料的基本特性。同一個熱電材料,若給予兩端溫度差可以產生電壓(西貝克效應);若給予兩端電壓則會造成溫度差(皮爾特效應)。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)

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=(δS2κ)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。」

半導體材料是良好的熱電材料,依據摻雜的元素種類,可分為 n 型(電流載子為電子,帶負電)與 p 型(電流載子為電洞,帶正電),製作熱電材料時,會將 n、p 型材料組合成上圖「熱電偶」的形式。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)
半導體材料是良好的熱電材料,依據摻雜的元素種類,可分為 n 型(電流載子為電子,帶負電)與 p 型(電流載子為電洞,帶正電),製作熱電材料時,會將 n、p 型材料組合成上圖「熱電偶」的形式。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)

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。」

各種 p 型(左)、n 型(右)材料的 ZT 值與溫度關係圖。可以看到接近室溫(27°C,約300K)表現最好的材料為 p 型的 BiSbTe(藍色折線)。圖│陳洋元
各種 p 型(左)、n 型(右)材料的 ZT 值與溫度關係圖。可以看到接近室溫(27°C,約300K)表現最好的材料為 p 型的 BiSbTe(藍色折線)。
圖│陳洋元

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。」

圖片為「疊差」缺陷。對於熱電材料來說,為了降低導熱率,理想上可利用「疊差」來調控材料內部「缺陷」,最終目的是導熱變差,卻能保有良好的導電率。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)
圖片為「疊差」缺陷。對於熱電材料來說,為了降低導熱率,理想上可利用「疊差」來調控材料內部「缺陷」,最終目的是導熱變差,卻能保有良好的導電率。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)

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。」

薄型熱電晶片內包含了 128 對 p 型、 n 型半導體,具有輕巧的外形。圖│陳洋元
薄型熱電晶片內包含了 128 對 p 型、n 型半導體,具有輕巧的外形。
圖│陳洋元

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」

研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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HOW TO 一直玩一直玩還能智慧省電?@宜蘭傳藝園區
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2020/09/10 ・1701字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

本文由 宜蘭縣政府環境保護局 委託,泛科學企劃執行

將傳統紅磚街屋、廟宇完整復原,重現台灣過去生活精髓的宜蘭傳藝園區(以下簡稱傳藝園區),腹地廣大,讓遊客能盡情來場穿越之旅。但你是否曾想過,占地 24 公頃的園區,光是準時開關電源空調就是個大挑戰,而在講究節能減碳的今日,又該怎麼做才能一直玩一直玩還能智慧省電呢?

加入「能源管理系統」智慧省電

過去對於電源的管理,只能以人工巡園的方式,一個個手動開關,耗時耗力。為了改善效率及節能,負責營運傳藝園區的全聯善美的文化藝術基金會,自 2017 年起陸續規畫更新。如今傳藝園區完成「能源管理系統」(Energy Management System, EMS)的建置,將電燈、冷氣等電力設備全都連上光纖網路,再傳送到中央管理系統,讓工作人員只需在辦公室內遠端遙控,不但大幅減少作業時間,更能有效節電,達到節能減碳的效果。

「能源管理系統」其實就像是管理用電的自動記帳秘書,基礎功能就是分類電力的流向,協助用戶管理能源。除了用在占地廣大、用電量大的各種場地,其實一般住宅也能導入類似的系統,像是智慧電表,讓使用者可以隨時掌控自家的用電情況。了解用電情況後,要如何才能達到節電以及多數人最在意的省錢目的呢?讓我們繼續看下去吧!

即時記錄用電資訊,節能計較到分分秒秒

對於多數人來說,通常要等到電費單出現,才能知道當月電費的支出總金額。如果能引入「能源管理系統」,任何一台電器每分鐘支出的電力都會被詳實記錄。

以傳藝園區舉例,導入「能源管理系統」後,所有電錶數據會自動匯入並做成圖表及資訊報表,方便工作人員快速找出異常耗能,分分秒秒都能計較;此外,內建的警報系統也可讓園區用電量超過警戒值的時候發出提醒。

自 106年以來,根據傳藝園區的統計指出,使用能源管理系統後,光是冷氣的部分,一年減少運轉的時數約180小時,平均一年可省下將近 10萬度的電量,一年節省了 30.9萬元。

其實過去也有類似例子,2011年國立中央大學與國外廠商合作,透過系統自動控制整棟行政大樓的照明及空調設備,省掉效能達到 40%,相當於一年省了 12萬度電,33 萬元的電費。

空調照明即時調整,環境舒適又省電

如同開頭所提,過去透過人工巡園的方式開關電源,一天必須耗掉近 2 小時,且要是遇到緊急狀況,例如雷陣雨突襲導致天色瞬間轉暗,園區無法及時開燈。如今導入「能源管理系統」後,能透過排程與遠端遙控兩種方式來處理,工作人員不用親臨現場就能完全掌握電源開關,方便又及時。

目前傳藝園區就透過該套系統,也算出最省電又有效的「黃金時間」,排定開園前 12 分鐘開空調,讓遊客一進場就感到舒適,也不會浪費電。

抓出耗電小壞蛋!汰換老舊器材

透過能源管理系統的資訊報表,工作人員能一眼就看出用電狀況,把特別耗電的小壞蛋抓出來,進而將老舊電器更新,就可省下許多不必要的電費。

舉例來說,單單將傳統燈泡更換為省電燈泡,其實就能省下不少電,本次傳藝園區除了安裝能源管理系統,也一併更新了許多過去老舊的燈泡、空調設備等。而 2015 年基隆市將 8成以上的水銀路燈都改為 LED燈泡,以七堵區換裝 4818 盞 LED 路燈後,一年的節電效益可達 719.9萬度電。

新竹市 2015 年也從集合式住宅公設的照明系統更新下手,配合用電行為改變,在住宅部門達到了 2.11%的高節電率。台中市同樣也將公有停車場、公有市場等場所的燈具改為 LED燈,一年大幅節省 14萬度電。

透過第一期的智慧省電系統導入,傳藝園區除了提供遊客最舒適的傳統文化體驗,也達到節能減碳目的。而遊客最能直接感受的好康,就是能準時享有被譽為「最浪漫地標」的魚耀隧道美景,這個長達 65公尺的燈廊在夜幕低垂時亮起,魚形倒映在湖面相當夢幻,是近期最夯的 IG打卡景點。

未來也會開啟第二與第三期的能管系統建置,使整個園區的能源管控都智慧化,讓遊客可以一直玩一直玩,還能超省電,享受科技與傳統合作無間。

本文由 宜蘭縣政府環境保護局 委託,泛科學企劃執行

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