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用太陽能板取代瓦片與鐵皮,Elon Musk 打造「太陽能屋頂」準備顛覆現今的電力市場!

2018.01.16
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文:戴羽

2016 年 8 月 1 日,Tesla 宣佈全面收購 Solar City,一家以太陽能板為主要業務的公司。Tesla 總裁 Elon Musk 也同時宣佈一項新產品,太陽能屋頂。這個屋頂和一般的太陽能板有什麼不一樣?Elon Musk 為什麼要將兩家表面上看來風牛馬不相及的公司合併?本文將為您介紹 Elon Musk的綠色能源計劃。

本文四大重點:1. 這是太陽能「屋頂」,不是屋頂上的太陽能「板」。2. 沒有地方安裝太陽能板?那就用它來蓋屋頂吧!3. 來自 Tesla 的電池,讓你自行供電一整天。4. Elon Musk 的目標不是做太陽能產品,而是打造綠色能源平台。

1. 這是太陽能「屋頂」,不是屋頂上的太陽能「板」

將太陽能板架設在屋頂上,並不是什麼新科技。讓 Elon Musk 「非常興奮」的太陽能屋頂,是能夠用來建造屋頂的建材(就是太陽能板直接取代了瓦片與鐵皮)。它不但要夠堅固,還要兼顧美觀。改變了一般人對太陽能板的認知。

但是,如何讓每個客戶能夠像購買建材一樣依照需要的尺寸來客製太陽能屋頂,是 Solar City 需要解決的難題。

一般來說,客戶安裝家用太陽能板時,最大的顧慮是既有的屋頂是否能夠支撐。另外,也擔心翻修屋頂時,對太陽能板的投資是否就此化為烏有。直接用太陽能板來蓋屋頂就沒有這些疑慮。因此,想要翻修屋頂的屋主,成為太陽能屋頂的主要客戶群–與其將錢花在一般屋頂,不如考慮投資一個可以為家裡供電的屋頂。

根據調查,美國每年約有 500 萬間房子需要新的屋頂。如果太陽能屋頂的價錢能夠更大眾化,Solar City 就能輕易的說服屋主購買太陽能屋頂,進一步擴大 Solar City 的潛在客戶群。

由於 Solar City 的太陽能屋頂還沒開始量產,大家都很難想像這個產品會和一般安裝在屋頂上的太陽能板有什麼不一樣。一家在紐約的新創公司 Forward 率先提出了他們版本的太陽能屋頂。在等待 Elon Musk 釋出更多訊息前,或許我們可以藉由 Forward 的版本來了解何謂「太陽能屋頂」。

2. 沒有地方安裝太陽能板?那就用它來蓋屋頂吧!

台灣是太陽能產業重鎮,產能占全球約兩成。但是,台灣生產的太陽能板卻只有 2% 留在台灣使用,其他的都是外銷。目前全台灣的太陽能裝置產生的電力不到 1GW (Gigawatt) ,其中最大的問題在於沒有土地建置太陽能板。

台灣山多平原少,在農地上建置太陽能板又被質疑「虛務農、真賣電」,加上取得社區大樓的過程和手續都十分繁瑣,使得太陽能的產能一直龜速成長。如果在蓋房子時直接使用太陽能板屋頂,就能夠突破現有困境,快速提升台灣的太陽能供電量。

正如 Elon Musk 說的,「要讓整個美國都只用太陽能其實並不需要很多土地,特別是當大部分的太陽能板都是在屋頂上」。

3. 來自 Tesla 的電池搭配屋頂,讓你自行供電一整天

太陽能發電最大的問題,就是在太陽下山後,沒有辦法繼續供電。但是,對一般的使用者來說,晚上才是用電的高峰時候。畢竟,一般的上班族都是日出而作,一直要到晚上下班後才能回家享受電力帶來的各種便利。

在美國,家用太陽能板在早上產生的剩餘電力,可以賣給電力公司,抵消部分晚上向電力公司購買的電。但是電力公司為了確保盈利,調高了晚上尖峰時間的電費,同時也降低了夏日購買太陽能電力的價錢。這導致很多太陽能板的使用者無法如預期地回收他們的投資。

善於顛覆傳統的 Elon Musk 為這個問題提出了創新想法。在 Tesla 和 SolarCity 合併後,太陽能屋頂將會搭配 Tesla 的家用電池產品 PowerWall, 組成一個完整的解決方案。PowerWall 儲存太陽能屋頂在白天產生的電力,晚上就能供電。除此之外,使用者還是可以選擇將過剩的電力(在 PowerWall 充飽後)賣給電力公司。

目前一組 PowerWall 的儲電量為 6.5 度足夠供應一般家庭一天的冰箱用電、用洗衣機洗一次衣服,以及使用 8 小時的電視、電燈和筆電(根據台電的數據,平均每戶每天用電為 9.7 度)。因此,除非需要使用冷氣,不然一組 PowerWall 應該可以支撐一般家庭整晚用電量。

由於 PowerWall 的擴充性很高,消費者可購買多組然後整合成一個極大的電池群。澳洲昆士蘭的一位使用者 Lyndon 就一口氣在家中安裝了 6 組 PowerWall,建立一個容量為 38.4 度的電池群,能儲存高達 98% 由太陽能板產生的電力。這讓 Lyndon 一家可以長時間不依賴公共供電系統生活。最重要的是,這樣不但環保,也很符合經濟效益。根據估計,Lyndon 的投資在 5 到 6 年後就可以完全回收。

4. Elon Musk 的目標不是做太陽能產品,而是打造綠色能源平台

Elon Musk 一直都是綠色能源的鼓吹者,因此,他不斷的以各種創新產品來證明綠色能源是可以取代石化能源,成為我們主要的電力來源。從電動車到太陽能屋頂,Elon Musk 不只是想要打造使用太陽能的產品,他要的是建立一個綠色能源平台,顛覆現今的電力市場。

傳統的電力由發電廠產生。如製造業一樣,發電廠在意的是生產並賣出更多的電,而不是如何讓供電變得更有效率。而使用者也不在乎用電效益,只要電費沒有太貴就好。

太陽能屋頂與家用電池,不但讓一般使用者能夠供電,更能夠儲存電力,未來甚至可以和別人分享電力(例如:透過社區建立的電力網絡,供電給有需要但是沒錢建置太陽屋頂的鄰居)。或者透過家用電池的 app 去監控用電的數據(例如:什麼時候用電最多,或深夜是否有太多的電被浪費)。這不但能夠讓使用者逐漸脫離對電力公司的依賴,也讓電力的使用更環保、更有效率。

Elon Musk 的期許是要將 Tesla 變成為一家「垂直整合的電力公司,提供完整的綠色能源產品給客戶」。在這樣的目標下,Tesla 先推出了電動車,然後推出電動車充電池,現在進一步的推出能夠自行生產電力的屋頂。

在不久的未來,或許我們會看到 Tesla 推出家用風力發電的產品,或建立小型的社區電力網絡,甚至推出電能機車。因為, Elon Musk 將不斷的豐富他的「綠色能源平台」,直到我們離開石化能源的那一天。

全文轉載自創新拿鐵,原文標題:太陽能「板」過時了!Elon Musk用太陽能「屋頂」打造綠能平台

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用汗發電!生物電池結合穿戴式裝置 ,未來用衣服就能隨時為電子用品充電

2018.01.11
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環境資訊中心/姜唯編譯(2018 年 1 月 2 日)

未來人們有機會用衣服幫各種隨身電子用品充電。紐約州立大學賓漢頓分校的研究團隊開發出一種以織品為基礎、靠細菌發電的「紡織生物電池」,可以與穿戴式電子設備整合,重複拉扯和扭轉測試時仍可展現穩定的發電能力。

研究主持人賓漢頓分校電機系助理教授 Seokheun Choi 表示,這種可伸縮、可扭轉的動力裝置可以為紡織生物電池建立一個標準化的平台,「市場迫切需要可彈性伸縮、可輕鬆與各種環境整合以收集即時訊息的電子設備。這些電子設備必須能在複雜和不規則形狀的基板上可靠運作,包括移動中的身體部位或器官。」

「我們認為可彈性伸縮的小型生物電池是真正實用的能源技術,因為它們永續、可再生且環保。」Choi 說。

人體的汗水可以作為細菌的燃料,讓織品生物電池中的微生物燃料單電池可以長時間運作。Choi 說,與傳統的電池和其他酵素燃料電池相比,微生物燃料電池更適合用於穿戴電子產品,因為用整個微生物細胞當作生物催化劑可以提供穩定的酵素反應和較長的使用壽命。

今年 3 月(編按:2017 年),Choi 和他的團隊創造出第一個微型自給自足單電池,透過兩種細菌的共生連續發電了13天。「這個利用協同作用發電的概念並不新鮮。不過開發上仍處於初始階段。」Choi 說。

研究人員在一個大約 1/5 茶匙大小的培養室中放置光營和異營細菌的混合培養物。光營細菌利用陽光、二氧化碳和水來製造能量,而異營細菌必須以有機物或光營菌為食。

當培養室暴露在陽光下時,研究人員將作用最初期的「食物」加入培養室中以刺激異營細菌的生長。通過細胞呼吸,異營細菌產生二氧化碳廢物,啟動光養菌的共生循環。

建立起共生週期後,研究人員不再為異營菌添加額外的食物來源,並且會有足夠的光營菌來維持異營菌的代謝過程。

這些代謝過程產生了每平方公分 8 微安培的電流,並持續 13 天。這個功率是光營菌產生單獨產生的電流的約 70 倍。

「以異營菌為基礎的燃料電池能產生更高的功率,而光合微生物燃料電池提供自我維持能力。這是目前為止最兩全其美的組合。」Choi 說。

這種微生物燃料電池可運用於偏遠地區或危險場所的低功耗裝置(如健康監測器和基礎設施診斷傳感器)。

這項研究發表於《先進能源材料》(Advanced Energy Materials)期刊

Wearable Bio-batteries Use Bacteria to Generate Power
BINGHAMTON, New York, December 7, 2017 (ENS)

In the future, people could wear garments that incorporate power-generating bacteria to support electronic devices. A textile-based, bacteria-powered bio-battery that can be integrated into wearable electronics has been created by a research team at Binghamton University, State University of New York.

Led by Binghamton University Electrical and Computer Science Assistant Professor Seokheun Choi, the team has developed a textile-based bio-battery that exhibits stable electricity-generating capability when tested under repeated stretching and twisting cycles.

Choi said that this stretchable, twistable power device could establish a standardized platform for textile-based bio-batteries and could be integrated into wearable electronics in the future.

“There is a clear and pressing need for flexible and stretchable electronics that can be easily integrated with a wide range of surroundings to collect real-time information,” said Choi.

“Those electronics must perform reliably even while intimately used on substrates with complex and curvilinear shapes, like moving body parts or organs,” he said.

“We considered a flexible, stretchable, miniaturized bio-battery as a truly useful energy technology because of their sustainable, renewable and eco-friendly capabilities,” said Choi.

Sweat generated from the human body can act as a fuel to support bacterial viability, providing the long-term operation of the microbial fuel cells that make up the fabric bio-battery.

Compared to traditional batteries and other enzymatic fuel cells, microbial fuel cells can be the most suitable power source for wearable electronics because using whole microbial cells as a biocatalyst provides stable enzymatic reactions and a long lifetime, said Choi.

In March, Choi and his team published a paper on their creation of the first micro-scale self-sustaining cell, which generated power for 13 straight days through the symbiotic interactions of two types of bacteria.

“This concept of creating electricity through synergistic cooperation is not new. However, much of this work is still in its nascent stages,” said Choi.

In a cell chamber about one-fifth the size of a teaspoon, researchers placed a mixed culture of phototrophic and heterotrophic bacteria.

Phototrophic bacteria use sunlight, carbon dioxide, and water to make their own energy, while heterotrophic bacteria must feed on provided organic matter or phototrophic bacteria to survive.

While the cell was exposed to sunlight, an initial dose of “food” was added to the chamber to stimulate growth of the heterotrophic bacteria. Through cellular respiration, the heterotrophic bacteria produced carbon dioxide waste, which was used by the phototrophic bacteria to kickstart the symbiotic cycle.

After that cycle was established, researchers stopped adding additional food sources for the heterophic bacteria, and there were enough phototrophic bacteria to sustain the metabolic processes of the heterophic bacteria.

Those metabolic processes generated an electrical current – eight microamps per square centimeter of cell – for 13 straight days. The power was about 70 times greater than current produced by phototrophic bacteria alone.

“Heterotrophic bacteria-based fuel cells generate higher power, while photosynthetic microbial fuel cells provide self-sustainability. This is the best of both worlds, thus far,” said Choi.

These microbial fuel cells could be used to provide power in remote or dangerous locations for low-power items such as health monitors and infrastructure diagnostic sensors.

全文及圖片詳見:ENS

全文轉載自環境資訊中心,原文標題:生物電池結合穿戴式裝置 你的汗水就是發電來源

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