人造樹葉 新款低成本太陽能

潘楠慕 |2020.11.08
1604觀看次
字級
空中巴士的混合機翼機身採弧形設計,可大幅提升燃料使用效率。圖/法新社

編譯/潘楠慕

美國萊斯大學(Rice University)研究人員開發新型太陽能設備,設計理念類似「人造樹葉」;這套系統架構簡單,且生產成本相對較低。

傳統的人工光電轉換方式,是已發展約四十年的矽晶(silicon)太陽能電池;這種電池使用的材料主要為矽材,利用陽光把水電解後產生氫;儘管矽材價格便宜且容易取得,但效率卻不高,且穩定性不足。矽晶太陽電池技術與市場,近十年來的市占率雖維持在九成以上,但其電池效率的提升已陷入瓶頸。

萊斯大學研發的太陽能設備,則由鈣鈦礦(perovskite)太陽能電池組成;鈣鈦礦是具有立方體狀晶格的晶體,可吸收光;陽光照射在這種太陽能電池上,可產生電能,這些電能為催化轉換器提供動力,把水分解並產生氧氣和氫氣。

鈣鈦礦太陽能電池的缺點是容易受光、溼度和熱影響,但過去十多年來,這種電池的光電轉換效率迅速提升;二○○九年時,這種電池的光電轉換效率僅百分之三點八,但目前已提高至百分之二十五,效率已與矽晶太陽能電池並駕齊驅。

萊斯大學的研究成果發表在《美國化學學會奈米》期刊(ACS Nano),報告指出,最新裝置是由兩顆鈣鈦礦太陽能電池與兩個一磷化鈷奈米觸媒電極(CoP Nanorod) 組成,把陽光轉換為氫氣的效率較高。

研究團隊指出,他們的「人造樹葉」最大特點是獨立運作以及防水。鈣鈦礦太陽能電池封裝在聚合物材質的保護殼內,可以將該設備放入陽光直射的水中長時間運作,不會被水侵蝕損害,電極位於保護殼外測,可以持續將水分解。

此外,研究人員說:「我們的系統設計很巧妙,可以自給自足,循環運作。即使沒有陽光,也可以使用化學燃料繼續運作。這套裝置能把分解產生的氫氣和氧氣存放在單獨的儲存罐裡,並搭配另一部裝置,把這些燃料重新轉化為電能。」

這套裝置的另一個優點,是不需要成本昂貴的組件,例如鉑金,改以碳或其他材料取代;如此一來,生產設備的成本降低,更適合商業化應用。研究人員指出,他們把鈣鈦礦太陽能電池改造後,創造出新型人造樹葉,不僅能製造氫燃料用於發電,也可以應用在其他領域,例如藥物、化肥、合成氣體等其他化學化合物。

鈣鈦礦太陽能電池目前面臨的問題是尚未出現模組化產品,以及可靠度、耐久性尚待改善,需要一段時間驗證,這項技術才能廣為市場接受,短期內不易獨立發展。業界人士認為,鈣鈦礦太陽能電池不會直接取代矽晶太陽電池,但將以互補、加值的方向發展。

雲雀 日本首款氫氣列車

東日本旅客鐵路株式會社(JR-EAST,JR東日本)宣布,為達成「能源多樣化」的願景,將與豐田汽車和日立製作所合作,研發搭載氫燃料電池及鋰離子電池的混合動力列車;若進展順利,這部氫氣列車將成為日本首款不排放二氧化碳,並以氫能源驅動的商業化鐵道車輛。

這款列車名為「創新氫混合動力先進鐵道車輛」(Hydrogen-HyBrid Advanced Rail vehicle for Innovation,HYBARI),暱稱是「雲雀」,因為名稱縮寫的發音恰好與日語「雲雀」(Hibari)諧音。

JR東日本表示,新車的標誌將採用象徵春回大地的雲雀,車身則為藍色和水花圖案,代表氫燃料電池運作時產生的水。「雲雀」列車預計在二○二二年三月試營運,二○二四年投入營運,並在二○五○年達成零排放目標。

依據豐田公布的設計圖,「雲雀」號將使用四具豐田開發的燃料電池,列車操控系統則由日立負責。JR東鐵透露,第一階段投入的研發與測試費用,約為四十億日圓(約新台幣十一億元)。

雲雀列車共有兩節車廂,一節車廂配備兩組鋰離子電池,另一節車廂則搭載高壓儲氫罐和兩顆聚合物燃料電池。氫燃料電池是主要動力系統,即使在攝氏負十度的環境下也能運行。

JR東日本表示,新型列車最高時速為一百公里,續航距離達一百四十公里。雖然速度不如使用其他動力的列車,成本也較高,但這兩個問題可望隨著技術的進步改善;更重要的是,氫動力列車不會排放任何廢氣與二氧化碳,只會排出水,也不需架設電纜或變電設施,維護成本相對較低。

JR東日本社長深澤祐二(Yuji Fukasawa)表示,面對氣候危機,減少碳排放已成為各國的重要任務;使用混合燃料的汽車已開始流行,歐洲也已開始測試氫氣列車,日本必須急起直追。

深澤祐二也表示,JR東日本除了研發氫氣列車,也準備投資興建氫氣站;若時機成熟,還將導入氫燃料電池車與公車,最終目標是打造氫能源供應鏈。

氫動力概念機 空巴飛向零排放

航空產業最為人詬病之處,是製造大量碳排放;許多環保人士呼籲減少甚至抵制搭機旅行,使航空業面臨巨大壓力;據亞太航空協會統計,全球航空業每年約排放6.5億噸二氧化碳,占全球排放量的2%。

為了順應綠能潮流並緩解來自環保團體的壓力,全球各大航空公司已承諾致力提高燃料效率,目標是2050年時把溫室氣體排放量減半,最終目標則是零排放。

專家指出,氫能源技術的突破,有助實現零排放目標;飛機製造商空中巴士(Airbus)發表3款「ZEROe」氫動力概念機,預計將在2030年到2040年間投入商業使用。

空巴發表的氫燃料引擎概念機共有3款,最大載客量為200人、最長飛航距離為2000海里;此外,這幾款飛機均採用機翼與機身融合的設計,以提供更大的燃料儲存空間,這是因為氫燃料的密度不如傳統的航空燃油,氫動力飛機須使用更多氫燃料,性能才能達到傳統燃料飛機的水準。

空巴執行長傅里(Guillaume Faury)表示,氫動力客機問世是商業客機歷史性的一刻,有望顯著減少航空業對氣候的衝擊。空巴零排放技術部門副總裁勒維林(Glenn Llewellyn)則宣稱,相關技術可望在5年內成熟,但由於氫燃料的價格仍高於傳統燃料,氫動力客機需在10年後才能應用於商業旅行。

勒維林解釋:「氫燃料成本會持續降低,我們預測,2030年時氫燃料的成本將比現在降低3成,屆時零排放飛機便具有商業可行性。」

勒維林表示,使用再生能源是航空業的趨勢,例如英國飛機製造商ZeroAvia也已展開氫燃料電池動力商用機的試飛,但「電池技術的發展速度不如預期,這也是我們轉向氫動力的原因」。

勒維林指出,空巴已經開始與航空公司、能源公司交流,因為這種改變需要跨產業和航空業內部的合作。想要以氫能源取代傳統燃料,需要投入巨額研發資金,唯有整體航空業、其他產業和各國政府合作,才能加速推動氫能源的應用。

熱門新聞
訂閱電子報
台北市 天氣預報   台灣一週天氣預報

《人間福報》是一份多元化的報紙,不單只有報導佛教新聞,乃以推動祥和社會、淨化人心為職志,以關懷人類福祉、追求世界和平為宗旨,堅持新聞的準度與速度、廣度與深度,關懷弱勢族群與公益;強調內容溫馨、健康、益智、環保,不八卦、不加料、不阿諛,希冀藉由優質的內涵,體貼大眾身心靈的需要、關懷地球永續經營、延續宇宙無窮慧命,是一份承擔社會責任的報紙。自許成為「社會的一道光明」的《人間福報》任重而道遠,在秉持創辦人星雲大師「傳播人間善因善緣」的理念之際,更將堅持為社會注入清流,讓福報的發行為人間帶來祥和歡喜,具體實現「人間有福報,福報滿人間」的目標。
人間福報社股份有限公司 統編:70470026

 
聯絡我們 隱私權條款

Copyright © 2000-2024 人間福報 www.merit-times.com.tw
All Rights Reserved.