核能電廠怎麼發電
國立臺灣大學土木工程研究所鄒謹謙

發電機的工作原理

發電機是把動能或其他形式的能量轉化成電能的裝置，一般是先將各類一次能源（指自然界中存在的天然能源，如化石燃料、核燃料、太陽能、水力等）蘊藏的能量轉換為機械能，然後通過發電機轉換為電能，經輸電、配電網路送往各種用電場合。

發電機是運用「電磁感應」原理將動力所作的功轉換成電能的裝置，通常由線圈與磁鐵構成，利用各種動力（如水力、風力、蒸汽）使線圈在磁鐵的兩極間轉動；當線圈轉動時，線圈內的磁場改變，因此產生感應電流，示意圖如圖1所示。

圖1：發電原理
（圖片來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Alternator_1.svg）

核能發電的原理

核能電廠發電原理和水力、火力發電廠有共通點，就是設法使汽輪機轉動，汽輪機為一個帶有中心軸的扇葉，當流體（例如空氣、水及蒸汽）通過扇葉時會帶動整個中心軸開始轉動，進而帶動發電機切割磁場，將機械能轉變為電能。

核能發電廠所用的動力來源是靠核分裂所釋放出的能量將水煮開。圖2為一沸水式反應爐(Boiling Water Reactor)發電方式示意圖，反應器壓力槽（又稱爐心）中紅色部分代表反應器中的燃料棒，提供核分裂連鎖反應的原料。水在爐心被加熱為蒸汽，經由導管送至汽輪機，進而帶動發電機發電。蒸汽經過海水或其他降溫方式冷卻為水後，再度被注入爐心。

爐心是進行核分裂連鎖反應的地方，核分裂過程所釋放的能量主要來自燃料棒中的鈾-235元素分裂後損失的質量，分裂後的原子總值量較分裂前輕，這些減少的質量就是核能的來源。根據愛因斯坦提出的質能等價公式「E=mc²」(E焦耳，m質量，c:光速 m/s)可以知道，只要損失些微的質量就能釋出極大的能量。 Continue reading →

我家房子怎麼耐震！ (II)
國立臺灣大學土木工程研究所彭書偉

我家房子怎麼耐震！ (I)- 談傳統耐震設計概念

板塊運動使全世界許多國家與地區面對地震隨時來襲的威脅，各國政府莫不謹慎因應，臺灣位於歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊的交界處，建築物如何抗震更是我們無可逃避的重要議題。

現代社會發展的趨勢，越來越多人口集中於都市，促使建築物越蓋越高、交通道路日益繁忙、橋梁與管線日益複雜。因此，地震工程科技必須不斷提升，以因應更嚴峻的地震安全需求。傳統建築物之耐震設計因經濟及使用性考量，採用「大震不倒但允許破壞」的概念，在一定強烈程度的地震來襲時，僅顧及生命安全之維護，而建物原有之功能性，往往因破壞嚴重而無法維持。

對於如醫院、消防單位等需於地震後發揮功能的建築物而言，這樣的設計方式增加了防災工作的不確定性與困難度。本文介紹建築物另外兩種耐震設計方式，皆利用特殊裝置維持建築物受振後主體結構之完整性與建物本身之功能性，依裝置不同分為減震(vibration reduction)和隔震(vibration isolation)設計。

房屋隔減震原理

房屋的減震與隔震的原理，可用水桶和水族箱來比喻，如圖1所示，水桶中的水量如同地震時地表振動能量，水越多，代表能量越大；水族箱的容量視同房屋的耐震能力，容量越大，耐震能力越大。

圖1 (a)為不耐震房屋，水族箱容量過小，倒入時水溢出，代表房屋的耐震能力不足以容納地震振動能量，造成損毀；(b)為減震設計房屋，如同水箱增設水龍頭，水倒入時能被開啟排出部分的水量，在大地震發生時，減震裝置能消散部分地震能量，減少房屋震動；(c)為隔震設計房屋，改成在水族箱上方增設雙導管漏斗，水倒入時，大部分的水從粗導管直接排掉，少部分進入水族箱，隔震裝置如同漏斗，能過濾（隔絕）掉大部分地震能量，大幅降低地震對房屋的衝擊。減震與隔震裝置皆能有效防止水位超出水族箱之容量，如同以不增加水族箱容量的方式提升了房屋的耐震能力。

圖1：房屋減震與隔震原理
(圖片來源：《安全耐震的家–認識地震工程》，第五章)

減震技術

前述減震的原理，為利用減震裝置消散房屋受震時的能量，而實際應用如圖2(a)所示，將減震器設置在房屋結構框架中，藉由減震器受地震時的相對運動（變形），吸收部份結構振動能量，以達到緩衝並消能的效果，使結構物擺動的幅度降低。減震器的種類繁多，包括液壓型阻尼器（圖2(b)）、黏彈性阻尼器、制震壁、挫屈束制支撑（圖2(c)）、鋼板剪力牆等，各具特色。 Continue reading →

我家房子怎麼耐震！ （談傳統耐震設計概念）
國立臺灣大學土木工程研究所詹鉅洋

地震是大地的震動，在空曠區域產生強烈地震，並不致引起嚴重傷亡，假若於鄰近都市城鎮人口集中區域發生地震，建築物倒塌將造成嚴重死傷。世界各地的地震災害造成嚴重傷亡的事件如南亞海嘯、日本311地震，加上臺灣地區地震頻繁，民眾對於自身所居住建築物的耐震能力越來越關心。

關於臺灣建築物的耐震能力規定，由內政部營建署所制定《建築物耐震設計規範》，為招集國內地震工程專家，進行研究、討論及修訂，作為建築物耐震設計的準則。該規範對新建建築物的設計目標，至少要能達到「小震不壞、中震可修、大震不倒」的耐震標準，具體說明如圖 1：

圖 1 耐震規範對新建建築物的設計目標 (圖片來源：《安全耐震的家–認識地震工程》，第五章)

傳統的耐震設計利用規範的流程，依建築物的資訊（樓層高、建築物重量、地理位置…等），計算建築物所需的「最小設計地震力」，進而設計此建築物的結構體（如樑、柱）。

至於結構物要如何做到「小震不壞、中震可修、大震不倒」的耐震標準，主要核心為「韌性」的觀念。「韌性」為結構體利用自身的變形來抵銷地震的能量。韌性佳的結構物在遭遇超過彈性限度的地震力作用下，雖然會有損傷及明顯的變形，但仍能抵抗一定程度的地震力而不倒塌；韌性差的結構物一旦地震力超過自身的彈性限度，就非常容易產生突然的破壞，甚至倒塌。另外，房屋建築耐震設計多採「強柱弱梁」的觀念，使結構形成較有利的破壞機制，來達到上述所提的耐震標準。因為樓版與梁所承受之載重會透過柱子往基礎傳遞，一旦柱（尤其是越低樓層的柱）破壞，其影響範圍遠超過梁破壞。 Continue reading →

油頁岩（oil shale）（下）
臺北市立第一女子高級中學二年級王因琪

油頁岩主要用途

在油頁岩煉油過成中有許多副產品：硫酸銨可作肥料；酚類和吡啶可用作生產合成纖維、塑料、染料、藥物的化工原料；排出的氣體，例如煤氣，可作氣體燃料；留下的頁岩灰渣，可用來製造水泥熟料、陶瓷纖維、陶粒等建築用材。

1、頁岩油的製造

要先將油頁岩從地底下開採出來再煉油，由馬龍（Mallon）公司採用的一方法是將帶孔的鋼管插進地底下的油頁岩裡數個星期到數個月，用垂直電極高溫加熱適合的油頁岩量，依靠電磁波產生的熱能，將有機質分解成頁岩油和氣體，使他沿著鑽井從地底下跑到地面上。而柏罕（Burnham）公司採用的方法較類似傳統的石油鑽井技術，可以在較低的加溫速率下進行開採。

在加溫範圍中最高溫大約是攝氏400度，約五天內可完成；中等溫度則是攝氏350度，需要的時間是3到4個月；若是在攝氏3度的情況下加溫，需要的時間長達7.6年。低溫加熱的好處是頁岩油的含原油比例會較高，類似裂煉的效果，較接近直接開採的原油。

大塊的油頁岩經過破碎、篩選，送到一種巨大的爐子裡；在隔絕空氣的條件下加熱，使有機質分解生成油氣；油氣再進入一個冷卻裝置，被冷卻凝結成油狀的液體，這就是頁岩油。頁岩油很類似石油，除了液態的碳、氫物質外，還含有少量氧、氮和硫的化和物。頁岩油經過進一步加工提煉，可以製得汽油、煤油、柴油等液體燃料，具有與石油相同的作用。

2、作為燃料用於發電、取暖和運輸

利用油頁岩發電的形式有兩種。一是直接把油頁岩用作鍋爐燃料，產生蒸汽發電；另一種是把油頁岩乾餾，產生氣體燃料，然後輸送到內燃機燃燒發電。目前普遍採用前一種形式。其次，可直接利用油頁岩燃燒供暖，或者利用油頁岩燃燒帶動發動機，用於長途運輸。 Continue reading →

油頁岩（oil shale）（上）
臺北市立第一女子高級中學二年級王因琪

前言：全球能源背景

中國經濟數據顯示，世界上最大能源消費國中國的油量需求在去年的經濟放緩之後開始恢復，因此提高了對2013年全球石油需求的預期。國際能源署（the International Energy Agency）對今年全球石油日均需求預測提高至90,800,000桶，比去年多1%。

而國際能源署在10月份發布的報告中指出，到2020年，美國的石油產量將超過石油輸出國組織（Organization of Petroleum Exporting Countries）最大產油國沙烏地阿拉伯。該組織並預測美國石油產量的快速上升將迫使石油輸出國組織成員國適應快速變化的石油貿易，而且在石油出口市場與北美展開競爭。預計今年非石油輸出國組織國家每日供應量將增加940,000桶，達到53,900,000桶，主要來自美國、加拿大、拉丁美洲和俄羅斯。

美國頁岩油產量大增，將推動今年美國石油產量增加520,000桶，使得美國因此成為非石油輸出國組織中產量增加最快的國家。但石油輸出國組織在2月13日發布的警告稱，今年對非石油輸出國組織的國家產量預期的增長面臨較高風險，特別是美國的油產量，有很多不利條件，包括政治、經濟、氣候、環境和地質因素將使得美國的油產量在近期無法達到預期的水平。

油頁岩簡介

受技術水平進步導致大量頁岩氣儲藏釋放推動，近年來美國石油產量強勁增長。並開始改變全球能源市場貿易格局，將導致石油輸出國家在原油市場的主導地位受到威脅。

雖然稱為油頁岩（又稱油母頁岩），但是地質學家並不全然將之歸類為頁岩。油頁岩是一種高灰分的含可燃有機質的沉積岩，它和煤的主要區別是灰分超過40%。主要成分是油母質（Kerogen），可自其提煉出許多種類的液態烴類，和水分、礦物質以及其他岩類主要有石英、高嶺土、粘土、雲母、碳酸鹽岩以及硫鐵礦，成分通常高於有機質。

油母質一般認為是石油的前身，生物遺骸中的有機碳氫化合物、蛋白質、碳水化合物、類酯體等等，會在厭氧細菌的作用下，進行「低溫化學反應」：先是被分解成單分子體，再聚合成油母質。據估計，大約只有千分之一或更少的生物體經快速掩埋與氧隔絕避免腐爛，才有機會轉化成石油的前身「油母質」。 Continue reading →

室內節能照明控制策略
美國普渡大學(Purdue University) 博士候選人詹瀅潔

照明系統一直在整個商業建築的能源消耗中佔相當大比例[1]，工程師們朝著兩個方向努力想解決這個問題。其中之一是從燈泡著手，發展效能更好的燈光來源，像LED燈等，它能以更少的能源供給室內與傳統白熾燈泡甚至省電燈泡相同的亮度。而另一個方向就是透過照明系統控制，減少不必要的能源消耗，這也是這篇文章所談的主題，文中將介紹一些最普遍的照明控制策略。 Continue reading →

建築節能好幫手－遮陽設計
美國普渡大學(Purdue University) 博士候選人詹瀅潔

人們對窗戶，總抱持著一種又愛又恨的心理，尤其是對天氣悶熱的亞熱帶居民來說。一方面，希望能有超大片窗戶，讓我們擁有一個很棒的視野；但另一方面，窗戶一直是熱帶或亞熱帶地區建築能源消耗很大的殺手，因為窗戶會帶來大量的太陽熱能，造成室內溫度竄升。除了改善玻璃的材質以外，另一個降低熱源的有效工具之一就是「遮陽裝置」。 Continue reading →

朝南的秘密
美國普渡大學(Purdue University) 博士候選人詹瀅潔

在台灣應該都聽過坐北朝南的房子是最佳選擇的說法吧！除了風水的考量以外，到底坐北朝南的房子有什麼祕密？

現代的坐北朝南因為房屋型態改變（現代以公寓等集合住宅形式較多），常以對外窗面積最大的方位作為朝向的說法，所以如果南面的窗戶最多，就把它稱為朝南的房子。 Continue reading →