2015年2月3日

走路就來電 腳下的能源

作者/甘魯生(前中研院化學所研究員,前大同大學講座教授。臺大化學系學士,美國杜肯大學博士。退休後熱衷於綠色化學及永續能源的推廣。)

全球用能量逐年增加2000年耗能406兆BTU( 英制的能量單位,1度電約等於3412.3 BTU),到了2015年估計將增至543兆BTU。再過15年會到687兆BTU,每5年約增加百分之十。長此以往,地球上的資源不但終有用盡的一天,也會因為石化燃料、核能或水力的利用,加劇了環境污染。所以目前的情況是,一方面資源將用盡,生活會無以為繼;另一方面卻破壞了環境,使人類無法生存。因此尋求乾淨(綠色)的永續能源是唯一出路,而且要是人類負擔得起的,才算是可以應用的永續能源。

「踏」出能源
人類的活動,不論行走、跑、跳或乘車、舟,或飛機在行進間都會產生動能,但這些動能都浪費掉了。如果能把這些動能,以電能的形式儲存下來,只要人類的活動不停止,這種能源也就取之不盡。這種能量不會對環境造成衝擊,也不會產生多餘的溫室氣體。因此利用人的步行、車輛壓過路面等方式,使壓電材料變形,產生電動勢來收集電流,是一新的想法和設計。客觀的情勢也有這樣的趨勢。首先是技術已漸成熟,其次是傳統能源總量有限,會愈用愈少,終有用罄的一天。最後是由於國際公約的規範,每個國家都必須在節能減碳上思索,並付諸行動。

壓電現象的產生,是具此性質的固體受壓擠、伸張、扭曲或振動時,使固體內正負電荷分離而產生電壓,因此產生電流來消除此電壓。此現象是可逆的。也就是說,壓電材料在外加電場或音波的情況下,會產生伸縮、扭曲或振動現象。結合壓電現象及逆壓電現象,在日常生活中可以應用之處很多。大者如聲納、電能變換器,小者如吉他上的收音感應器、瓦斯爐點火器等,可說是無處不在。

能量地板(PowerFloor)是雷德蒙(Elizabeth Redmond)2006年在密西根大學(University of Michigan)念書時,作作業(後來的畢業論文)時產生的一個構想。據此,她在2008年創立能源跳躍公司(POWERleap),來製造及推廣這項產品,自任執行長(2010~2014年, 共3年6個月), 被探索頻道(Discovery Channel)譽為快速發展的公司。

雷德蒙所製的能量地板大小為50平方公分、8.5公分厚,在發展期間(2007~2009年)得到許多獎勵。她本人甚至應全球客戶的要求,到處展示產品。能量地板每踏一步可發電5瓦,對小型電器的供電非常實用。雷德蒙更利用這個優勢,成立了coWorkr公司。其主要業務為利用壓電板(已改名為聰明地板,SmartFloor) 發電,來啟動無線感應器。可隨時偵測辦公室、工作場所及庫房的各種狀況,也可應用在運輸、建築、衣著、醫藥等方面。

大約在雷德蒙研發創業的同時, 英國人庫克(Laurence Kemball-Cook) 在羅浮堡大學(Loughborough University)求學時,就有以壓電板發電的想法。當他的同學們畢業後在辦公樓過著穩定的職場生活,庫克卻窩在臥室裡,繼續研究他的壓電板。他在2007年創立了帕維根系統公司(Pavegen Systems)。最初,他拿著研發出來的成品到街頭展示,但常遭到警察驅趕。經過不斷的努力,終於爭取到世界級(2012年的倫敦世運)的亮相的機會。他的產品效率大,每踏一步平均可產生7 瓦的電力,比雷德蒙的能量地板高出40%。而最令人驚艷,也令人欣喜的是,此產品的製作材料中,除了利用回收的橡皮及可回收的聚合物外,更宣示不含鉛,因為鉛是有毒的環境污染物。庫克的產品不但立下了新的標竿,更進一步符合乾淨能源的要求。

Innowattech 是採集能源(energy-harvesting)的公司,設立在以色列。創辦人阿布拉莫維奇(Haim Abramovich)先生,是以色列理工學院(Israel Institute of Technology)的航空工程系教授。該公司的產品一樣是利用壓電現象,將機械能轉為電能。他們將多層(可堆疊)的壓電板埋在路面下或者鐵軌和枕木之間,利用車輛或火車的行駛來發電;還埋在以色列理工學院校園中的一條路下,不但是該公司的實驗場所,也成為該校的特色之一,所有訪客的必到之地。

PowerFloor
能量地板

每一步都讓城市發電

發電地磚
英國帕維根系统公司開發的「發電地磚」,能吸收人們腳步中的動能,轉換成可用的電力,可供街燈、廣告看板或各種電子設備使用,既節能又環保。每一片地磚的壽命為5年,相當於可承受2千萬步的踩踏。

不過它們實用嗎
到了2050年,世界人口可能高達90億,人口的壓力將是能源缺乏最根本的問題。屆時,臺灣三座核電廠應已除役,該如何填補能源的空缺,值得深思。雖然輸入頁岩氣(蘊藏於頁岩層中的天然氣,是美國重要的能源資源)是臺灣能源的選項之一,但僅可救一時之急,非永久之計。而其實壓電材料發電的發展,是適合臺灣(許多大都市)的永續能源。其來自社會的阻力也可能最小,更具有商業潛力。相較於其他永續能源,可能也是我們唯一有能力發展的工業。

有研究人員指出,若將阿布拉莫維奇的壓電板鋪設在汽車的輪子下,假使有600輛車子以時速72公里的速度,行駛在路上,則每小時可發電200度電。而如果在鐵軌的每一根枕木下,裝置兩個壓電器,則當300節車廂的火車駛過1公里的鐵路,每小時可產生120度電。據估計,臺灣每個家庭夏天用電量約400度電,相當於壓電板在公路上工作2小時,或者在鐵路上工作3小時。也就是說,這個裝置足以支撐一個家庭在夏天一個月的用電。

臺灣各道路的總長約4萬多公里,其中國道高速公路有990公里。這可能是最適合優先考慮鋪設壓電板的路段,粗略估計每天可發17.345億度電。別忘了,高速公路南來北往,有兩條馬路。每條路至少包含兩個車道,所以可以產生的電是上述數字的四倍! 另外, 臺灣的鐵路總長1100公里。若將鐵路及高速公路部份或全部利用的話,將可解決一部份的民生用電。

庫克所研發的壓電板(大小為60公分×45公分×6.8公分)宣稱,平均每小時可發電98瓦,在產能規模上要小得多。但這塊板子可放在地鐵、學校、醫院、商場、球場、戲院等,人多出入之處。其發電可供附近區域照明、通訊及小型電器之用。它最大的好處是能獨立操作,不必更換電池或架設供電系統,如此一來也可提供部份的公共用電。由此可見,若能成功結合阿布拉莫維奇和庫克的產品構想、用以發電,能源則不愁匱乏,對臺灣確是實用。

方向明確,最重要的後續是付諸實行。上述的可行性,端賴成本效益。如果壓電板發電的成本,比現行發電主力(火力發電)高出許多,便是紙上談兵,無濟於事。不過好消息是,其價格已在降低。以帕維根系統公司的產品為例。2011年,英屬哥倫比亞大學(University of British Columbia)欲購買八塊壓電板(用以建造新的學生活動中心,並在中庭設置壓電板,提供附近的照明),當時要價3萬多美元,這個價錢顯然不具推廣潛力。不過也許是研發技術逐漸成熟,現有報導說,他們已將一塊板子的價格降到100元美金以內。

降價自然是好事,但我們必須擺脫對外來技術的依靠和專利的限制,才有自主權。自行研發能源是唯一選項,希望臺灣能由政策主導,聯合國內材料、化工、電機、機械、資訊,甚至於生物等專業共同推動。由材料研發、原件組成、成品組裝及放置等基本做起,才能擁有屬於我們自己的新永續能源。

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