3小時讀通太陽能電池

 

隨著政府力推以再生能源為發展重點的能源政策之際，光電產業龐大的商機因此在台南延伸出社會版的新聞事件。絕大多數人講到太陽能，腦中印象多半就是一片有如鏡面的太陽能電池，多的，也就什麼都說不出來了。「3小時讀通太陽能電池」正是彌補你我在太陽能發電議題中的知溝(知識鴻溝)，從最基本的發電原理一直到宏觀的產業前景，和太陽能發電相關的資訊，都濃縮在這本不到三百頁的書裡。

細心觀察，在今日太陽能面板幾乎無所不在，誰又能想像它背後所依靠的發電原理，是人類科技發展的點滴結晶。電流就是原子核外圍的電子雲中的自由電子在流動，而太陽能發電則是運用電子殼層傾向封閉結構的特性，來操作電子成為自由電子。原子是電中性，接收多餘電子會成為陰離子(電子帶負電)，失去電子則成為陽離子，藉由陰陽兩離子的配對，可以人為地創造出流動電子，就是「發電」。光是發電就是得明瞭原子的運作規則，才能設計、實作出穩定可靠的發電機制，太陽能發電也是如此。

熱、光、電都是能源，只要找到適合的做法，依照能量守恆定律，能源的性質將可以相互轉換。也因此，太陽光在照射在太陽能電池時，對電池裡的原子添加光能，讓電子進入激發態(升至上一層的電子殼層)，當電子從激發態恢復到基態時，就會釋放出電能。透過人為製造出的n型半導體與p型半導體的相互連結，取得源源不絕的太陽能為人類所用，這個實踐應用了物理、化學累積至今的種種發現，可說是人類科研成果集大成的展現！

為了追求最大的能量轉換率，矽太陽能電池一直是主流技術。然而太陽能電池必須使用高純度的矽，成為了一種資源瓶頸和經濟限制。然而材料科學不斷發展進步的推力下，基於非矽結晶的各種太陽能電池也展露頭角，化合物電池、有機染敏和量子點電池都是未來值得關注的項目。老實說，只要書名上有「OO小時」學會/通讀，那多半是騙人的，要看完這本書絕對會花上超過三小時，但它保證可以讓你對「太陽能」建立起初階的知識，做為你未來在面對能源議題的判斷時一個扎實良好的基礎。

怕輻射，不如先補腦

醫學物理師或稱物理師，有別於放射師(操作醫用游離輻射儀器)，工作是負責設計放射線治療計畫。結合了物理學家和醫學臨床工作的醫學物理師相當罕見，主要出沒在「放射腫瘤科」和「放射診斷科」。如果知道「輻射」的俗世稱呼是「電磁波」，不知你腦海中呈現出什麼想法。物理世界中的萬事萬物都充斥著電磁波，因此與其聞之色變，不如花點時間做到四它(面對它、接受它、處理它、放下它)。輻射無所不在，因此我們討論輻射議題時，重點應該是放在「劑量」，只有在超出一定劑量的情況下，輻射才會對人體造成不可逆的損害。

輻射分成「非游離輻射」和「游離輻射」，非游離輻射由於能量太低，無法穿透人體造成DNA變異，所以完全不用擔心。只有X射線、阿伐射線、貝他射線、加馬射線以及各種沒聽過的游離輻射，才是可能致癌的健康殺手。游離輻射的劑量單位有「西弗」、「毫西弗(1/1000西弗)」、「微西弗(1/1000毫西弗)」以及「奈西弗(1/1000微西弗)」。另一個劑量單位「戈雷」是用在評估「單一器官受曝量」，在實務上「全身性綜合評估」用的「西弗」較為常見。根據「國際輻射防護委員會」第60號報告書指出，每1西弗的有效劑量會產生4.8%的致癌風險，而低於100毫西弗(0.1西弗)的劑量對人體沒有明顯危害。0.1西弗會增加約0.48%的致癌風險，但一般人終身的罹癌的機率是50%，因此小於1%的風險增加在臨床上沒有意義。有效劑量是吸收劑量乘上輻射加權因數(例如X射線為1、阿伐射線為20)再乘上組織加權因數(例如紅骨髓是0.12、甲狀腺是0.05)。

醫用輻射和新冠疫苗的出發點都是「利大於弊」，精確清晰的輻射造影將有助醫師及早診斷疾病，最終受惠的仍然是被迫受曝輻射的病人。況且目前的輻射防護法規都是採用最嚴謹的「線性無閾假說」，假設輻射穿透人體時100%會造成DNA變異(實際上並不是如此)，所以合乎法規標準的輻射劑量是相當安全的，口訣是「低於一百(毫西弗)不會死」。身為理性公民，未來看到報章、網路媒體的輻射致癌新聞，記得第一時間要留意「劑量是多少」，如果記者根本沒寫受曝劑量，或是劑量低於100毫西弗，就請忽略那則報導吧。

在救人優先的原則下，醫療輻射使用是不存在「劑量限制」，總不能因為受重傷的病人已超出受曝配額，怕他增加罹癌風險，就不給他照X光造成病人傷重不治吧。所以在病人的放射線診療的使用原則上，重點在「正當性(有必要)」和「最適化(能達成醫療目標的最小劑量)」。另外在移動式X光機距離三分尺以外，就不可能產生會造成人體影響的輻射，以後看到那台貼著輻射圖案的白色機器，用不著在刻意繞一大圈避開它。

「核磁共振造影」現在已經正名為「磁共振造影」，因為嚴格來說它是利用「磁力」和「無線電波」來讓人體組織因不同的電波吸收力來形成影像，整個過程和核能(輻射)沒有關係。當初的「核」字是指稱「原子的核心」，沒想到卻讓人聯想到「核能」，相對地「X光」和「電腦斷層」才是有用到放射線的診療，而劑量都低於100毫西弗。輻射充斥在世間的萬物中，舉例來說香蕉因為富含鉀，而鉀又佔自然界放射性產出的0.0117%，所以吃根香蕉就會受曝到0.0778微西弗。所以在討論輻射防護問題時，重點永遠不是「有沒有輻射」而是「輻射劑量是多少」。輻射是種純能量，也沒有「天然」和「人工」之分，不會有「天然輻射不傷身體」。延伸來說，有關日本福島核災食品輸入問題，理性的討論能接受的輻射劑量為何，一味地強調「零檢出」並不科學。零檢出只代表儀器的靈敏度無法呈現出數值，實務檢測上只有「未檢出」沒有「零檢出」，光是自然環境中的背景輻射值，就能產生打破「零檢出神話」的雜訊了。

致癌因子分成四級，第一級為確定致癌因子能躲則躲(高於100毫西弗的輻射)。而第二級2A是極可能致癌，動物實驗已證明，人體實驗中尚未找到可信的結果。第二級2B是無論動物和人體實驗皆未證明有致癌可能性，但為小心先放在注意名單(網路基地台在此名單)。第三級是無法被歸類為致癌物，第四級是極可能為「非」致癌物。

微波爐是利用低頻電磁波(微波)來讓磁場中的食物裡的極性分子共振產生熱能來加熱食物。電磁波是屬於非游離輻射，根本不用考慮劑量問題(本來就對人體無害)，而要和微波爐保持距離主要是因為怕外露的微波，不小心「加熱人體」。目前的法規要求電器外5公分的洩漏量不能超出每平方公分5毫瓦的情況下，根本不會有外洩傷害人體的可能。微波食物也絕不可能殘留輻射，首先微波爐不會產生游離輻射，其次當加熱結束電源關閉時，微波也消失無蹤並不會留存在食物內外部。所以在使用微波爐時，要注意的是加熱容器(塑化劑)的安全、食物成份(添加物)，而不是訛以傳訛的輻射殘留。

在討論核電議題時，反對一方總會提出「敢不敢把核廢料放你家」。其實「核廢料(放射性廢棄物)」主要有兩類，一是「低階放射性廢料」另是「乏燃料」。即使沒有核能發電，傳統醫療輻射也會產生低階放射性廢料，像是防護衣以及機器零件、耗材。處理方法是盡可能壓縮到小小立方體，再用水泥包覆起來防止輻射外洩。而「乏燃料」就是原本用來進行反應爐發電的「核燃料」，當已經不再能有效發電後，就成了具有高放射性的「高階核廢料」，大家爭論的「核廢料」便是指後者。依照目前政府法規「乏燃料」用的乾儲桶外部的軸射劑量必須符合「每年不得超過0.25毫西弗」，還記得「低於100不會死」的口訣嗎？所以在討論核電的風險時，將問題聚焦在「台電的維運管理能力可靠嗎？」、「位處三大地震帶的台灣能承擔像311核災這種非人為不可抗力的大型核外洩事件嗎？」，或許更能切中核電取捨的關鍵因素。

世界第一簡單電力系統

 

隨著2021年10月起中國出現大規模限電和分區供電的情況，一時之間能源議題變得沸沸揚揚，名嘴網友各自抒發己見好不熱鬧。十多年來台灣的能源政策，一直被「擁核/反核」的政治口水所牽累，決策者也習於獨斷獨行，不見公民參與討論的空間。想當然要對能源議題凝聚全民共識之前，公民智識尚且要符合最低的水準，如果缺乏基礎的能源知識，肯定連討論的「題目」都看不懂。此時這本「世界第一簡單電力系統」便是一帖良藥，可以讓讀者對現代電力系統有粗淺的瞭解。

能量除了電能外還有化學能、力學能、熱能、光能和核能，而能量可以轉換，所以其它類型的能量可以轉換成電能，像火力發電便是以「化學能->熱能->動能->電能」的方法產生大量的電力。自然界的能量稱為一次能源(石化燃料、核能、再生能源)而人類平常大多使用二次能源(電力、汽油、瓦斯)。一次能源又稱為「能源資源」，目前科學家預測的可採年數為鈾礦100年、煤110年、天然氣60年和石油50年，而日本和台灣都是高度仰賴國外進口能源資源的國家。

電力系統分成「發電」、「輸電」、「變電」和「配電」四部份。所有的發電機的基礎構造都相同，透過「旋轉」的動能轉動發電機中的磁鐵，讓線圈產生感應電源，原來動畫「天元突破」中說的「螺旋力」真的是帶動人類進步的幕後功臣。不論是火力、核能、水力發電，都是利用大型的渦輪機(會旋轉的機器)連結發電機，週而復始地旋轉、發電。

水力發電的長處在於可以「容量小持續、穩定地發電」又能「隨機應變、即時運作提供急需用電」，發電方式有川流式、調整池式、水庫式和抽蓄式。缺點是必須有合乎建置條件的自然地型(老天爺賞飯吃)和天候條件，建設方式有水壩式、水路式和水壩水路式。小水力發電(傳統水車)、波浪發電和海洋溫差發電則是和水資源相關的微水力發電，優勢在於不用建設水壩。

火力發電又稱「汽力發電」，是利用燃燒石油、液化天然氣(LNG)和煤等燃料，產生高溫高壓的氣體帶動渦輪機發電。發電廠的選址多半會靠近大海，因為冷凝器的冷卻水大多為海水，另外燃料大多是從海外運送而來，有港口的近海地區有地利之便。小型的火力發電為內燃機發電，直接用燃燒燃料驅動引擎轉動、發電，多半做為大樓和工廠的緊急電源。和水力發電機組只要3~10分鐘就能啟動不同，火力/核能發電的啟動時間長達數小時以上，因此不適合因應突發的用電需要。但火力發電能穩定、持續不斷地提供定額的發電量，所以是許多國家最仰賴的供電方式。

供電負載可分成「基礎負載」、「中間負載」和「尖鋒負載」三部份，其中川流式水力發電和核能發電提供基礎負載，煤和液化天然氣的火力發電提供中間負載，石油火力發電和調整池、抽蓄式水力發電供提尖鋒負載。衡量燃料取得成本的差異，火力發電可以同時為中間負載和尖鋒負載付出心力，也難怪即便有氣候變遷全球暖化的憂慮，各國仍然不敢輕易承諾減少火力發電。垃圾發電、生質能發電和地熱發電則是和熱能發電相關的新式發電，都能比傳統火力發電更環保，但和多數綠電的問題一樣，無法大規模發電。

台灣最常被提及的發電方式就是「核能」了吧。核能發電和火力發電一樣，都是利用加熱後的水所產生的水蒸氣，帶動渦輪機產生電力，只是兩者加熱方法不同，火力發電是利用「化學能」加熱，核能發電是用核分裂的「原子能」發電。核電的優點是發電單位成本較便宜，而且不會造成溫室效應，缺點就是核分裂後的殘餘物具有高危險性，清理與保存的社會成本很高。在核能發電的過程中，必須讓反應爐維持在臨界值才能不斷地出現核分裂現象，過快或過慢的核分裂都會造成發電失敗，過程中用來減速分裂反應的就是「控制棒」，而「冷卻水」則是用來吸收核分裂時反應爐產生的熱度，將熱量排出避免運作過程中溫度不斷升高造成爐心溶解。

書中後半著重於介紹輸電、配電和未來供電等相關知識，但光是「發電」一章的內容，本書就讓我覺得受益良多。作者為了確保知識的完整性在輸配電章節中提及了一小搓公式與術語，即使忽略不看也不影響整體閱讀的樂趣，推薦此書給關心能源議題的朋友。

一張圖讀懂風力發電

 

在天然氣接收站和藻礁議題搶佔新聞版面的同時，台灣政府的能源政策逐漸被大眾關注。相信大家都會認同對環保較為友善的再生能源，是改善發電汙染的一帖藥方，然而政客、名嘴的口水多過茶，從沒有向大眾開誠佈公各種發電方案的良莠。即然如此，我們也可以自食其力，看這本「一張圖讀懂風力發電」來補充科普知識，初步瞭解再生能源中的要角「風力發電」，做為日後評判政府能源政策的基本素養。作者牛山泉在日本是知名的風力發電專家，致力於推動日本風車產業的發展。書中雖然對部份專有名詞像轉距、功率、阻力系數、葉尖速度比缺乏淺顯的解釋，但已經提供夠多的風電知識。他開宗明義地說明風力發電有減少環境負擔、取代即將枯竭的石油、風力是純自產能源、帶來經濟效益的四大項優點。

用風力來發電，歷經如下多階段的能量轉換，太陽能->大氣->風能->風車->機械旋轉能->發電機->電能。取出的能量和受風面積成正比，因此風車越大效率越高。也和風速的三次方成正比，找到擁有強風的風場，等同是挖到源源不絕的石油。從風力中取得的最終電能，可以用四種方法來運用，分別是拿來充電(電池)、直接連接負載(幫浦汲水、連接電器)、和內燃機一起使用、最後是連接電力系統(賣電)。風車的運轉型式有兩種，阻力型風車、升力型風車(效率比阻力型提高50%)。理論模型已經確認，人們最多可以從自然風中取得59%的能量，而因為空氣力學損秏、機械損秏、電機損秏等原因，實際我們只能抽取40%的風力轉成能源。根據能量的用途，中間將會產生額外的秏費，熱轉換(最多45%)、汲水發電(最多16%)、發電機發電(最多40%)、電解水成氫(最多12%)、蓄電池充電(最多30%)。

風車類型有水平軸風車的螺旋槳型、多葉片型、荷蘭型、風帆型，垂直軸風車的桶型轉子型、橫流型、垂直旋翼型、打蛋型。垂直軸風車的優點有不限定風向、葉片對稱架構穩定、發電機位於下方。火力、核能發電在開始運轉後，幾乎保持一定的額定輸出，風力發電則不同，實際輸出多在額定輸出以下。因此得搭配其它定額式的發電方式(火力、水力、核能)，建置智慧電力網路，才能引進風力這種變動電源，相互調節形成穩定的供電系統。

固定價格賣電制度是丹麥的國家政策，也是推動風車產業的幕後功臣。離岸風力發電將是未來的趨勢，浮體式離岸風車和垂直軸打蛋型風車也許會是明日之星。阿根廷的巴塔哥尼亞，擁有全年不息的強烈西風荒野，建置風車發電再用來電解水提煉氫氣，最後成為氫氣的輸出大國。台灣的澎湖也是世界聞名的強風區，可惜政府目前沒採取像阿根廷一樣的政策，不然能量自主的比重肯定能提高。風力發電的問題也不少，像不同季節風力發電的輸出有顯著差異。電擊是最常見造成風車故障的主因，因為零件來自國外，維修時程拉長會影響設備使用率。環保人士關心的鳥擊事件其實不常見，但建置風車時確實要避開候鳥路徑。風車的噪音有國際標準限制，但產生的低頻噪音才是難以克服的問題。景觀問題則是見人見智，也可以藉由設計讓風車外形融入自然景觀中。風力發電王國丹麥已經達成18%的風力發電灌輸率(風車電力/電力系統容量)，台灣擁有令它國稱羨的離岸風場，應該好好把握，投入資源發展離岸風電，讓國家的能源政策更加多元且能永績經營。