能源應用

高空的眼睛
國立臺灣大學土木工程研究所蔡孟儒

人類的感官能力原本就極其有限，嗅覺不如狗、視覺不如鷹、聽覺不如大多數的動物等等。而感官能力不如其他生物的人類，依憑著智慧才得以彌補不足而能夠傲視世界。當我們看不到太小的物體，便發明了放大鏡及顯微鏡；當我們看不到太遠的物體，便發明了望遠鏡，也就是人工千里眼。而隨著飛行載具快速的發展，遙感探測技術突破以往受到高度的影響，且能以更多元的感測器獲取並記錄更豐富的資訊，因此現在的遙感探測技術即成為「高空的眼睛」。

廣義來說，遙測泛指「不需要與目標物接觸」即可獲取與量測該目標之測量方法，與平常使用儀器量度物體的方式不同。其實我們天天都在使用遙測，例如人類的眼睛就好比是遙測的感測器，可透過眼睛看到東西而不需與目標物接觸；照相機是另一個常見的例子，在獲取資料的同時，目標物和照相機絕對會保持一段距離。上述是遙測廣泛定義的例子。而從應用的角度而言，遙測是專指利用特定感測器來獲取有關地球環境、自然資源資料，以利於有效的監測、探勘與管理。圖一為NASA(美國太空總署)與NOAA(美國國家海洋和大氣管理局)合作將衛星在夜間對地球所拍攝的照片放在Google Earth上，從此遙感探測影像中可清楚了解台灣在夜間時有較多人類活動的區域多為西半部。

圖一、衛星於夜間對台灣所拍攝之遙感探測影像(擷取自Google Earth)

另一方面，由於臺灣位居在板塊間相互運動、碰撞、擠壓十分活躍的交界上，因此全島不僅高山峻嶺多，大小地震更是頻繁。在這樣的地質結構下，復又面臨多雨、多颱的氣候環境，導致崩塌與土石流災情成為臺灣山坡地最常見的天然災害。傳統的勘查方式透過現場調查，儘管直接投入人力深入災區所得資訊較為準確，然而災害發生之初，通往災區之交通路線往往殘破不堪，沿線土石崩塌嚴重，勘查人員不易深入，加上受地形地物的影響，局部區域的災情調查難有效執行，導致調查作業難免曠日廢時。不過隨著空間資訊技術的蓬勃發展，相較於現場實勘，藉由航遙測空間資料之蒐集、分析，足可於災害應變的不同階段提供必要之空間圖資，發揮災害管理與環境監測的功能(如圖二)。此外遙測技術也廣泛應用於生態環境當中。利用遙測技術，可以了解整片樹林的碳吸存淨量，並計算出這片樹林一年可以吸收多少碳。

藻類生質燃料之發展與應用
國立臺灣大學環境工程學研究所林彥妗

永續發展為當前的重要課題，為因應全球氣候變遷與資源逐漸缺乏的趨勢，發展創新綠色技術與再生能源的使用已成為經濟發展的重要策略。近年來層出不窮的海洋油污事件及土壤污染事件引發嚴重的生態危機，更提醒人們人為製造的污染物為環境生態失衡的主要元凶，因此傳統的經濟發展方式必須轉型，才能發揮創新綠色科技之效益。

由於環境資源有限及全球化石燃料危機與核電災害，近年來國內外相關學者積極研究開發替代能源，希冀能藉由環境中的廢棄物、廢水再利用及微生物之光合作用原理，開發出簡易且產能高之替代能源，如生質柴油、沼氣發電、生物燃料電池、生質酒精等。目前我國於國家能源政策白皮書中已擬定「再生能源的生質應用」政策，明確指出國內推動生質能源發展之重要性。歐美及澳洲等國家目前亦積極投入生質能源之開發與研究，除了利用植物纖維、廢棄物再利用外，利用藻類及微生物光合作用大量繁殖代謝產生的有機物做為生質燃料的原料，為目前亟待開發及提昇之技術，除了藻類與微生物本身的特性差異外，快速而有效地產製生質燃料，並避免環境二次公害，為此研究極重要的議題。

水資源耗用的評估方法
國立臺灣大學環境工程學研究所林佳玉

過去水資源在生命週期評估裡被視為產品製程的盤查原料之一，用量相對於其他物質較少而未受重視；近年來全球人口成長及經濟發展快速，不斷超量抽取地面水及地下水、污染淡水資源及無效率的使用，造成淡水資源壓力；許多研究者體認到水資源漸漸匱乏，水資源使用的衝擊與損害評估才漸受重視，開始有較多學者及機構投入衝擊評估架構的研究、建立宿命及暴露損害的因果關係，以及找出特徵化因子及量化模式。

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。

小兵立大功～生物燃料電池的原理及應用
國立臺灣大學環境工程學研究所 楊政憲、林彥妗

前言

相較於許多傳統的環保能源，如風力發電、太陽能發電及地熱發電，生物燃料電池 (biological fuel cell) 是一種日益增長的替代能源技術。其中微生物燃料電池 (microbial fuel cell, MFC) 是一種微生物藉由三磷酸腺苷 (adenosine triphosphate, ATP)將有機或無機化合物氧化產生化學能，使電子 (electron)轉移至最終的電子受體產生電流的系統[1]。

不同於限制氧化電子受體的化學燃料電池與酵素燃料電池，微生物燃料電池有更強大的適應性[2]。到目前為止，不同的菌種如：genus Geobacter、Enterobacter、Shewanella和Bacillus經測試在微生物燃料電池中之產能具有最佳的功率。近期相關研究著重於微生物燃料電池內填充混合的微生物菌種，特別是關於它們對營養源的適應性：菌種彼此的競爭力及總體趨勢，使系統更穩定且效果更佳，且研究發現其相較於培養純菌種的系統可以得到更高密度的電流[3]。

原理

生物燃料電池之原理主要藉由微生物做為催化劑，將化學能轉化為電能。其系統組成包含陽極 (anode)、陰極 (cathode)及半滲透膜 (semi-permeable membrane)。如下圖所示，生物燃料電池之陽極灌入含有有機物之燃料供微生物反應，即提供微生物之基質 (fuel)；陰極則灌入氧氣作為氧化劑；半滲透膜只容許帶正電的離子通過，即陽極中產生之質子 (proton, H⁺)，該薄膜介於陽極槽與陰極槽間將其分隔。為避免反應機制於陽極發生，故此系統為封閉式系統，使陽極成無氧狀態，陽極不會發生反應，且陰極灌入氧氣後產生反應使質子濃度減少，誘發陽極經半滲透膜產生滲透作用。

在陽極中，基質藉由微生物行氧化反應 (oxidation)，生成二氧化碳 (carbon dioxide, CO₂)、電子及質子。以葡萄糖 (glucose, C₆H₁₂O₆) 為例，當微生物於陽極反應時，會將葡萄糖分解產生二氧化碳、質子並釋出電子產生能量，其反應機制如下(式一)：

陽極： (式一)

陰極中的氧氣則接受電子，與氫離子結合還原成水分子，如式二所示。其電子通過外部電路轉移至陰極；同時質子通過薄膜轉移至陰極。質子與電子於陰極再與氧氣行還原反應 (reduction-oxidation)產生水，反應機制如下：

陰極： (式二)

生物燃料電池產電機制

(1)   如下圖所示，於陽極加入基質供微生物反應 (Fuel in)，基質於微生物氧化作用下，生成質子、電子、及代謝產物 (CO₂)，並將基質反應後之廢液排出 (Outlet)。

(2)   產生的電子於陽極表面經外部電路傳輸至陰極，且產生的質子經半透膜由陽極傳遞至陰極。

(3)    於陰極中，導入電子受體 (O₂ in)，使氧氣和遷移來之質子與陰極表面之電子發生還原反應，並將反應後所產生之產物 (H₂O)排出 (Outlet)。

多元化水資源開發
經濟部水利署盧瑞興正工程司

水資源建設的重要性

水是人類及動植物生存發展的必需品之一，水資源建設更是提升國民生活品質及促進社會經濟持續發展的關鍵基礎建設；其不僅是產業發展與環境保護中不可或缺的有限資源，同時也直接影響產業經濟結構、社會人文與環境變遷。長期來政府極為重視水利建設，以提供穩定且量足質優的生活與產業用水，作為臺灣經濟蓬勃發展的基礎。

臺灣水資源條件特殊、缺水風險高

臺灣地區雖降雨豐沛，惟在時間及空間上分佈極不均勻，11~4月枯水期與5~10月豐水期的雨量比，北部區域為4：6，中部區域為2：8，南部區域為1：9 (如圖1)。豐、枯水期雨量差異懸殊，導致枯水期水量無法供應用水需求，須透過水庫蓄豐濟枯維持供水穩定。台灣水庫總有效容量約僅19億立方公尺，但每年卻必須供應約43億立方公尺水量，平均每座水庫年運用次數超過2次才能滿足用水需求（石門水庫甚至超過4次）。又近年全球降雨異常加劇，已造成旱澇災害交替頻繁，水文極端現象明顯且強度增高，受災範圍與程度均較過去嚴重，導致缺水風險已逐漸影響經濟發展，並對國家永續發展造成威脅。