不開冷氣屋子也能降溫,「輻射冷卻系統」可省下空調用電達 20%

作者 Emma Lin | 發布日期 2017 年 09 月 07 日 22:45

我們大多數人或許都聽過太陽能熱水器,但現在可能有一種反太陽能水冷卻器,來自美國史丹佛大學團隊的最新研究開發,這項技術讓一棟兩層樓建築的空調用電成本節省高達 20%。研究人員樂觀地說,未來該技術很快就可以廣泛應用於傳統空調和冷卻系統上。

這群來自史丹佛大學的工程師,其實已於 2014 年展示過一種光學散熱面板,稱為輻射天空冷卻(radiative sky cooling)技術,他們利用特殊的光子輻射冷卻(photonic radiative cooling)材料直接將 97% 的太陽光反彈、將建築物內部結構的熱紅外光以特定波長反射回外太空。當時主要研究人員之一阿斯沃斯‧拉曼(Aaswath Raman)就曾說,未來這世界可能不再需要依賴由電力系統冷卻的空調設備,只差他們思考如何將建築物內部的熱紅外光有效傳導到外部面板。

現在,同一個團隊突破重圍,實現研究進化版,利用流經面板系統的水來冷卻整棟建築物的溫度,整體過程完全不插電演出。拉曼表示,這次研究是基於 2014 年的技術再延伸,他們在屋頂上放置 4 塊面積為 0.05 坪(2 平方英尺)的反光材料面板,然後利用這項技術讓面板底下快速流動的液體(自來水)降溫,3 天時間內,水溫持續降得比周遭環境溫度還要低 5℃。

接著他們再進一步透過建模展示發現,如果用這項技術來代替傳統的蒸氣壓縮系統,可以使一棟位於乾燥氣候(如美國拉斯維加斯)的兩層辦公樓,其夏天冷卻系統的耗電量減少將近 21%(14.3MWh)。

據估計,冷卻系統消耗全球發電量 15%,佔全球溫室氣體排放量的 10%,等到了 2050 年,冷卻需求將增漲十倍,因此,如何提高冷卻系統的效率將是 21 世紀能源挑戰的關鍵一戰。團隊領導人史丹佛大學電機工程學系教授范汕洄(Shanhui Fan)等人樂觀認為,這項技術很快就可以廣泛應用於傳統空調和冷卻系統。現在,研究人員正努力嘗試將面板與空調、冷藏系統相結合,而新技術對數據中心和太陽能電池的降溫都是一大賣點。

團隊在 2015 年也已將輻射天空冷卻技術應用在太陽能電池的散熱塗層,試圖解決長期困擾太陽能電池產業的問題:當太陽能電池越來越熱,把光子轉換成有用電力的效率就會越低。他們在電池上覆蓋一層超薄塗料,一面讓電池持續吸收可見光轉換能量,一面把不可見的熱紅外光輻射掉,降溫效果達到 5℃ 以上。這對於一個轉換效率已經達 20% 的矽晶太陽能電池來說,還可再提升效能達 1% 以上。

(首圖來源:
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蓄電池將成儲能領頭羊,專家:5 年內會接管美國電網

作者 Emma Lin | 發布日期 2017 年 10 月 25 日 9:00

隨著再生能源布局在各地爆發,電力儲存的需求也同步上升,有美國專家小組表示,諸如特斯拉(Tesla)的家用電池 Powerwall 或 Powerpack 電池儲存系統等,將會在 5 年內接管美國電網大部分的儲電功能。

不論是太陽能還是風力發電場,於美國、歐洲、中國和澳洲等國都在「大躍進」,也有許多公司計劃未來將百分百依賴再生能源,比如 Google 去年宣布,到 2017 年資料中心將全由再生能源供電。

太陽能和風力發電可在高峰期產出大量電力,但電網無法負荷,為了彌補這一缺點,太陽能和風力發電業者甚至電力公司都將目光轉向儲能電池,比如特斯拉剛為澳洲一個大型太陽風電項目提供 Powerpack 電池儲存系統,該項目完成後,每年將產生約 21 萬 mWh 的電力,足以供應超過 35,000 戶澳洲家庭用電。


▲ Powerpack 電池儲存系統。(Source:Tesla)

對此,美國最大的電力公司杜克能源(Duke Energy)業務發展總監史賓塞·赫內斯(Spencer Hanes)指出,未來 5 年內,電池產業將帶來許多創舉,包括接管美國電網。由於再生能源技術成本逐年下降,用戶益發期待的就是能自主發電及儲電,當用戶安裝太陽能板時,背後的驅動力就是希望能有備用電力,以及強烈的能源獨立心態。

隨著太陽能板安裝日益普及化之後,家用儲能電池會越來越受到歡迎,史賓塞·赫內斯說,不久之後,更多房屋將配備諸如特斯拉的 Powerwall 電池或宜家(Ikea)的家用電池組,以儲存大太陽和強風帶來的電力,電網不再是儲電首選,電力市場會面臨急劇轉變。除了住宅外,商業和工業部門的蓄電池安裝量也會在未來 5 年內增加。

前陣子受到颶風重創、至今仍遠未恢復電力系統的波多黎各,已向特斯拉提出要藉此機會改造島上癱瘓的能源基礎設施,欲建立一個由太陽能供電和 Powerpack 蓄電的區域電網系統。電池儲能已是一門戰鬥力十足的產業,史賓塞·赫內斯強調,當電池伴隨再生能源業務不斷增長時,政府必須開始準備制定新的政策和規則。

(首圖來源:Tesla) 

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英國研發太陽能超級電容,讓穿戴式裝置更節能輕便

發布日期 2018 年 07 月 25 日 7:45 | 作者 EnergyTrend


近年來穿戴式技術裝置越來越受到歡迎,各家廠商與研究單位都想在這廣大商機分一杯羹,現在更有科學家帶來可用於穿戴式裝置的太陽能超級電容,有望取代原有的電池,讓未來的穿戴式感測器更輕巧與更節能,且日夜都可以使用。

超級電容(supercapacitor)是介於傳統電容與電池之間的雙電層電容,由活性碳多孔電極和電解質組成,具有效率高、循環壽命長、高電壓、耐高溫、耐高壓且安全性高等特性,除了能量密度比一般電容更高,功率密度也優於其他電池。

看好超級電容的優良性能與潛力,英國格拉斯哥大學可彎曲電子和感測技術(BEST)團隊透過石墨烯與銀打造 3D 可撓泡沫層,研發出可用於穿戴式設備的超級電容,充放電容量更是以往可撓式超級電容的 3 倍,25,000 次充放電循環後仍可正常運作。

該團隊在 2017 年 3 月也利用石墨烯開發出一款太陽能電子皮膚,該設備對觸碰和壓力相當敏感,可透過內置感測器來模仿人類皮膚觸覺反應,只是當時電子皮膚還不能儲存電力,陰天或是夜間可能就無法使用,而此次 BEST 新研究有望進一步提升太陽能電子皮膚的應用範圍。

目前研究也成功將電子皮膚與太陽能超級電容相結合,主要教授 Ravinder Dahiya 表示,太陽能電容技術讓未來穿戴式健康檢測系統只需要陽光就能充電,不僅商業潛力巨大,應用也相當廣泛。

即便在沒有電力的偏遠地區,只要透過太陽能超級電容,電子皮膚等穿戴式設備日夜都可運作,Dahiya 也指出,團隊正考慮進一步將技術整合至電子皮膚,並藉此開發出更完善的義肢。新研究已發表在《Nano Energy》。

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運動夾克內嵌薄膜 白天吸光夜晚變發光衣

2018/01/09 17:00

太陽能的應用逐漸普及,現在英國更有新創公司將太陽能用在衣服上,設計出一件太陽能運動夾克,白天的時候吸收陽光熱能,一到了晚上就會釋放光線,只要暴露在陽光下短短幾個小時就能夠持續發光12小時,這件夾克白天的時候是灰色,到了晚上就會發出像螢火蟲一樣的螢光色,讓你在戶外行走運動都更加安全。

一件薄薄的運動夾克掛在樹林間看起來很普通,但是當太陽下山森林一片黑暗的時候,這件夾克卻開始發光了!這就是由英國品牌Vollebak推出的太陽能發光衣,白天晾在樹上的時間其實它都在吸收太陽光光線,晚上就會釋放出光線,而且他們還研究過,發出的螢光色是在黑暗中肉眼看的最清楚的顏色。

實際測驗就算是在黑濛濛的森林裡人影依然清晰可見,會能這樣發光其實都是因為夾克內層有嵌入一層特殊薄膜,才能夠吸收並釋放光線,只要短短幾個小時的日照就能持續發光12個小時,這家新創品牌特別針對喜歡極限、戶外運動的玩家研發一系列機能衣,甚至還有號稱100年也不會壞的超耐穿帽T。

把帽T綁在卡車後面拖行、在大海上漂浮甚至是用火燒,這件帽T都毫無損壞,能夠照樣穿上身,設計師說一開始的設計就是希望延長帽T的穿著年限,用耐用度拚高下。

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小草立大功!日大學成功利用雜草發電 預計 2020 年實用化

2018-01-31 17:09:37  吳佳臻/綜合報導


▲日大學成功利用雜草發電,預計 2020 年實用化。(圖/翻攝自名城大學)

路邊的雜草其實也有大功能!位於日本名古屋的名城大學,其研究團隊研發出一套發電系統,能夠利用微生物讓雜草發酵產生甲烷,作為瓦斯燃料,藉此燃燒發電。如此一來,就能夠有效利用雜草和空地,達到環境永續發展。

基本上,像是水田這一類的地方,微生物會將稻殼、雜草等有機物進行分解,產生溫室氣體甲烷,名城大學便是利用這樣的自然機制,設計出這套發電系統。


▲名城大學研發出一套發電系統。(圖/翻攝自日刊工業新聞)

根據《日刊工業新聞》報導,名城大學將雜草放置於類似水田的場所中進行發酵,接著利用袋子收集瓦斯,再將其藉由幫浦供給燃氣發電機,藉此發電。據悉,實驗結果能點燃 10 顆 800 瓦功率的燈泡。

另外,方便的地方在於,雜草不需要經過特別的處理或分類,也不需要像製造生質燃料那樣準備固液分離裝置、碳化裝置等大規模設備,能夠大幅降低成本。

不僅如此,燃氣發電機也正在研究作為熱電聯產系統的應用。在發電的同時,所排出的熱能,能夠沸騰熱水,並且一同運送至農家,可活用於房屋的溫度控制、園藝作物栽培等。預計這套系統,將會在 2020 年達到實用化。

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盧森堡大學翻轉 20 年來的太陽能假設,重新解釋鈉元素作用之謎

作者 EnergyTrend | 發布日期 2018 年 03 月 28 日 


為了增強太陽能電池的發電效率,盧森堡大學重新回顧太陽能製造過程,並進一步理解鈉元素在太陽能製程中的作用,且駁斥研究人員與製造廠商 20 年來的太陽能化學製程假設(assumption)。

太陽能電池是一種利用太陽光直接發電的半導體薄片,藉由光電轉換效應產生電流,其中 CIGS 薄膜太陽能板為新一代備受矚目的技術之一,可撓式與低成本為主要優勢,利用不同化學元素沉積在玻璃基板上,讓太陽能電池能一層一層逐漸「增長」。

以往科學家為了增加薄膜太陽能電池的轉換效率,會在光吸收層(light absorbing layer)加入鈉元素,且避免鈉與其他元素相互作用,影響鎵和銦的混合導致光吸收層不均勻,通常科學家與製造商都在薄膜磊晶完成之後才添入鈉元素。

而盧森堡大學物理與材料科學研究組人員與其他 4 位國際研究者為了了解箇中細節,製造一個更嚴苛的磊晶環境。根據以往的製程與研究,光吸收層多由數千個單獨晶粒組成,團隊則反其道而行,製作一個單獨晶粒組成的吸光層。

團隊研究發現,假如吸光層僅由一個顆粒組成,添加少量的鈉有助於均勻晶內元素分布。伊比利亞國際奈米技術實驗室(INL)研究員 Diego Colombara 表示,這項結果與 20 多年來的研究相悖,以往研究指出,如果在多顆晶粒組成的吸光層添入鈉元素,大多會導致分布不均勻與降低光電效率。

研究指出,鈉元素具有「雙重效果」,可促使鎵和銦晶粒內擴散(intragrain diffusion),也可以透過晶界分離(grain boundary)來抑制晶粒內擴散,意味著該元素能讓晶粒內的元素均勻,但是它會減緩晶粒之間的相互作用。

盧森堡能源材料研究室( Laboratory for Energy Materials)負責人 Phillip Dale 教授表示,這項發現讓我們重新反思太陽能的化學生產過程,未來可望進一步改進薄膜太陽能電池的製程。該研究已發表在《自然通訊》期刊(Nature Communications)。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:盧森堡大學)

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不需要鋪設大量透鏡,太陽能煙囪運用空氣對流發電

發布日期 2018 年 04 月 25 日  作者 EnergyTrend


太陽能煙囪(Solar chimney)為古老的被動太陽能技術,以前稱為煙囪效應或是熱煙囪(Heat Stack),源自羅馬時代,現在伊朗、中東與北非仍普遍使用,可利用空氣循環來通風或發電,同時也是太陽能潛力生力軍。

通常提到太陽能技術,大多想到的都會太陽光電技術或是聚光式太陽熱發電(CSP),前者是用光電轉換產生電力,後者則利用透鏡聚光設備將陽光聚集至中央塔,最後再透過蒸汽渦輪機發電。而太陽能煙囪技術與 CSP 相似,但不需要大範圍透鏡產生熱能,只需要一座吸熱高塔就能產生熱,進而轉變成電力。

煙囪利用陽光來加熱中空塔內的空氣,藉由塔內外溫差將熱空氣推擠上升,驅動底部發電機發電,而此方式也可逆向執行。當塔內溫度比戶外低時,氣流會在塔中向下流動,將戶外空氣從通風口吸入塔內,如是家庭使用,在夏季時用於空氣調節。

目前太陽能煙囪有 3 個基本構造,其一為太陽能收集要素,像是深色、吸熱物質(thermal mass)或是絕緣材料等,以及可限制或減緩空氣上升速率的通風豎井,最後則是控管空氣進出的通風口。

太陽能煙囪可當作一種再生能源,結合空氣對流與發電渦輪機產生電力,且假如透過大量吸熱材料,如黑泥或是高含量生理食鹽水,太陽能煙囪可全天候運作,廠商不需要電池就可 24 小時都有能量可用;對日照較少或是高緯度地區,也只要調整太陽收集區域如改變獲取太陽光路徑,就可以量身訂做太陽能煙囪。

除了以熱能發電,此技術也可透過過濾技術緩解城市空氣污染,像是今年(2018)初中國陝西就成功打造高度逾 100 公尺空氣清淨塔,該公司更指出高塔每天能生產超過 1 千萬立方公尺純淨空氣,並大幅減少 PM2.5 含量。

不過雖然這種技術具有高光熱靈敏度(sensibility),但投資成本高、需要的土地較廣,相較於裝設靈活的太陽光電與產電高的風力發電,太陽能煙囪成本效益比略遜於其他技術。太陽能煙囪技術需要大範圍空間,如要滿足 100MW 發電量,預估需要加起來共 1,000 公尺高的通風豎井和 20 平方公里的熱收集區域。不過這只是預估,目前尚未知曉需要多少場地與技術設計才能滿足商業應用,也不確定將來會否大規模採用。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖為西班牙太陽能煙囪,來源:sbp)

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科學家開發新太陽能蒸餾技術,效率近乎完美 100%

發布日期 2018 年 05 月 04 日 | 作者  Emma stein


科學家現在開發出能使太陽能蒸餾器效率接近 100% 的新技術,未來重災區或乾旱區可以簡單利用太陽能獲得更多潔淨飲用水。

使用太陽能蒸發、淨化水質的想法已歷時久遠,據報導,希臘哲學家亞里斯多德於 2 千多年前就描述過此技巧。而太陽能蒸餾器(solar still)不消耗常規能源、結構設計簡單、操作容易,利用太陽能本身的熱能來促使水產生相變化,當水蒸發為水蒸氣後與鹽分、細菌、污垢分離,接著就能將水蒸氣冷凝收集成淡水,對那些陽光充足的沿海偏遠地區來說非常適合。

該技術具許多優點,幾乎能在任何地方應用,但不幸的是,即使是最新型太陽能蒸餾器,也會在蒸發過程中因熱量損失至周圍環境,導致水汽化的效率不高。

紐約州立大學水牛城分校(University at Buffalo)電機工程學家 Qiaoqiang Gan 領導的團隊提出了其他方法,透過「冷卻」來重新從周圍環境吸取熱量,最終達到近乎 100% 的完美蒸發效率。

研團隊核心技術是一張摺疊成倒 V 字形的碳纖維紙,如同禽舍屋頂,紙張底部浸入水池像餐巾紙一樣吸收液體,碳塗層則吸收太陽光並轉化為熱量蒸發。由於倒 V 字形傾斜角度避免陽光直射,得以讓大多數碳塗層紙張保持在室溫下,因而多出可繼續吸收周圍熱量的空間,補償水汽化時太陽熱能的損失。

在實驗測試中,運用該裝置接受陽光照射的面積每平方公尺每小時可產生 2.2 公升淡水,已經超越理論最高門檻 1.68 公升,而研究人員認為,一台小型冰箱尺寸的裝置每天可蒸餾出 10~20 公升的潔淨水。

當多數研究太陽能蒸餾技術的團隊在努力開發先進材料如:金屬等離子體、碳基奈米材料時,Qiaoqiang Gan 團隊開發出成本極低的材料,還能帶來創紀錄性能。新論文發表在《Advanced Science》期刊。

Solar Still Offers Promise to Disaster Zones of the Future, Scientists Say

(圖片來源:紐約州立大學水牛城分校)

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太陽能逆變器再進化,全漢於 2018 Intersolar 展布局未來微型電網

發布日期 2018 年 06 月 21 日 12:03 | 作者 FSP Group 全漢企業


全球電源供應器專業大廠全漢,已經在歐洲地區深耕長達 20 多年,獲得廣大客戶信賴。如今更是連續三年參加在德國慕尼黑 Intersolar 太陽能光電展,從微型逆變器、離網型逆變器、離併網雙用型逆變器到 ION MATE/ION RACK 等產品,呈現全漢構築的綠色能源解決方案,以吸引更多合作夥伴的目光。

放眼歐洲,由於德國在全球能源政策上扮演關鍵角色,因此德國的一舉一動都牽動著市場趨勢。全漢產品暨市場策略處資深經理黃世強表示,歐洲發展太陽能較早,德國政府過去補貼純併網型逆變器。但從前年開始政策轉彎,變成具備儲能功能的逆變器才有補貼,純併網型反倒沒有了補助。這是因為過多的太陽能電力併入電網會對電網造成衝擊,而政府也希望透過「時間電價」達到供需平衡,所以在政策上有利儲能型逆變器的推廣。這也代表著技術的進步與儲電容量已達到一定程度,搭配政策獎勵,這種轉變自然水到渠成。

能夠做到以上需求的產品,當屬全漢的離併網雙用型逆變器(HySpirit series Hybrid Inverter),除了可充當家裡的緊急用電系統(類似不斷電系統),當太陽能發電量超過家用所需,即可將多餘的電力儲存以備不時之需,或待用電高峰時釋放儲存的電;假若太陽能供電不足,也可以自動於離峰時間從電網中補充,實現自發自用、削峰填谷的智慧用電功能,而電廠也不用再費力維持偏高的備載容量。

至於全漢今年在 Intersolar 展上主打的離網型逆變器,相較以往體積縮小了 30%,重量則減少 20%,能夠更靈活地配置在家戶當中。一般的離網型逆變器往往需要搭配電池才能運作,全漢新一代的離網型逆變器在陽光充足的區域則完全不需要電池當作緩衝系統,唯一差別在於 PV 模組需要串聯較高的電壓,換取較為穩定的太陽能發電電力。此外,逆變器也還是可以搭配傳統鉛酸電池或自家開發的 ION RACK 鋰電池。ION RACK 能量密度高,循環壽命是鉛酸電池七倍以上,有利於家戶型微電網的布建。


▲ 全漢(FSP)的離網型逆變器(Off-grid Inverter)體積跟重量都更加減縮,搭配 ION RACK 鋰電池可靈活布建家戶型微電網。

而在微型逆變器方面,雖然非市場主流,但是在特定應用情境則相當具有競爭力。例如美國加州就有 NEC 690.12 法規,要求在緊急情況時逆變器必須能快速關斷(rapid shutdown),這一般傳統型組串式逆變器是做不到的。其次,傳統組串式逆變器是整個太陽能電池串共用一組 MPPT(Maximum power point tracking),但微型逆變器則是單一太陽能模組就有各自獨立的 MPPT 控制器,能較有效能地將太陽能產生的電能轉為市電所需的交流電,然後併到電網。假如以一年整體來看平均發電量,微型逆變器可以比傳統組串式逆變器高 15~20%。


▲ 微型逆變器(Micro Inverter)單一太陽能模組就有各自獨立的 MPPT 控制器,能有效將太陽能發電轉為交流電,並提升發電量高達 15%。

總結來說,目前在太陽能發電及儲能系統上,全漢依舊以戶用型的終端使用者為主要客群。目標是把太陽能系統推到每個家庭,實現家家戶戶自發自用的微型電網(nano grid),政府只需要穩定基載即可。將來,以全漢擅長的逆變器跟儲能系統為主,輔以電業自由化或政府的時間電價政策,可以共同建立一個 Eco System,實現綠色發電,智慧用電的願景。

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古人的智慧?研究:埃及藍顏料能提高能源效率,協助太陽能發電

 發布日期 2018 年 10 月 13 日 10:45 | 作者 Nana Ho |


數千年前,古埃及人創造了一種人類最早使用的人造顏料,並將其用來描繪神靈、皇室的圖像,過去研究曾發現這種被稱為「埃及藍」(Egyptian blue)的顏料能夠吸收入射的可見光,並在近紅外光範圍發射,而最近一項新研究顯示埃及藍顏料的潛力不僅於此,未來將有望能用來提高能源效率並協助太陽能發電。

美國能源部的伯克利實驗室(LBNL)在最近的研究中證實,埃及藍的螢光效應(fluorescence)比原先想像的強上 10 倍,研究最近已經刊登在《Applied Physics》期刊上。

透過測量埃及藍和相關化合物塗層在陽光下的表面溫度,伯克利實驗室的研究人員發現,埃及藍可以吸收的光子數量幾乎達到 100%,發射過程的能源效率也高達 70%(紅外線光子比可見光光子攜帶的能量更少)。

在 Paul Berdahl 的帶領下,研究人員現在希望顏料可以用於油漆或應用建築物的屋頂上,它將可以反射陽光並協助建築物內部保持涼爽,減少對耗電空調的需求。

過去在陽光充足的氣候條件下,白色顏料被認為是通過反射陽光來保持建築物涼爽、減少耗能的最有效的選擇,然而基於美觀的考量,業主通常不會在斜屋頂上使用明亮的白色,在這項研究下,埃及藍或許未來能做為另一種選擇。

除了建築物的潛力以外,埃及藍的螢光作用也可用於生產太陽能。如果將埃及藍用於著色玻璃,發射的近紅外光可以被窗戶邊緣的太陽能電池吸收,並將其轉換為電力。

根據伯克利實驗室多年來進行的大量研究,能夠反射光線的屋頂和牆壁可以冷卻建築物和汽車,減少了對空調的需求並減輕城市熱島效應(island effect),同時通過將太陽光反射回太空,這些材料也釋放出更少的熱量進入大氣層,進而冷卻地球並抵消大量溫室氣體造成的變暖效應。

(首圖來源:shutterstock)

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