現代克卜勒:運用現代天文學創造更多的能源 - 陳英同 博士

現代克卜勒:運用現代天文學創造更多的能源 - 陳英同 博士

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1. 現代克卜勒 中央研究院 天文及天文物理研究所 陳英同 能源科技教育教師工作坊 2020/08/15 運用現代天文學創造更多的能源
2. • 天文學的歷史與簡介 • 天文與能源的關係是什麼 • 天文在能源上的應用 摘要
3. • 西元前3000：英國巨石陣建造 • 西元前280：希臘天文學家阿里斯塔克斯創立日心 說 • 西元前240：埃拉托斯特尼計算出地球的直徑 • 西元前130：喜帕恰斯定出第一份星表(850) • 西元140：托勒密提出地心說(錯的) • 西元1054：宋朝觀測到金牛座超新星
4. 行星在不規則的移動？
5. • 西元1543：哥白尼死前才發表日心說 • 西元1609：伽利略利用望遠鏡觀測木星四顆衛星 • 西元1609：克卜勒創立行星第一第二行律 • 西元1656：惠更斯發現土星環跟衛星 • 西元1668：牛頓製做出反射式望遠鏡
6. • 西元1687：牛頓發表《自然哲學的數學原理》- 萬有引力 • 西元1781：梅西爾發現星系、星團 • 西元1916：愛因斯坦研究出相對論 • 西元1923：哈伯發現宇由加速膨脹 • 西元1927：歐特證明銀河中心在半人馬座 • 西元1920-40：恆星內部結構、恆星大氣理論的建立(原子彈)
7. • 萬有引力定律：兩個質點彼此之間相互吸引的作用力，與它們的質量乘積 成正比，並與它們之間的距離成平方反比。 • 愛因斯坦廣義相對論雖然比較能夠解釋一些特殊系統，但是人類科學目前 仍然還不知道萬有引力是如何產生的！！！ 萬有引力
8. • 以太陽為例(主序星)，透過原子核的核融合產生能量，把氫原子聚變成氦原 子。太陽核心以每秒鐘發生6.2億噸氫的核融合。恆星由向內的重力和向外 的光輻射壓力維持平衡。 • 恆星一生的90%都是在核心以高溫和高壓將氫融合成氦的階段 • 1920年，愛丁頓(Eddington)提出氫氦融合可能是恆星能量的主要來源 • 1930年，貝特(Bethe)提出恆星核融合主循環的理論 • 1940年代，軍事目的的核融合研究計劃-曼哈頓計劃成立 • 1951/52年，在核試驗中完成了核融合/氫彈試驗中首次完成大規模核融合 。 恆星的理論
9. • 西元1957：蘇聯發射第一顆人造衛星史普尼克 • 西元1969：阿姆斯壯月球漫步 • 西元1972：先鋒10號飛越木星 • 西元1980：航海家1號傳回第一張土星近照 • 西元1990：哈勃太空望遠鏡升空 • 西元1998：開始建造國際太空站
10. • 登月計劃去年剛好50週年 • 阿波羅計劃(Apollo)總共有17次，登上月球6次，包含12個太空人踏上月球 • 發展登月計劃投入了非常多的資源與金錢(>240億)，但獲得的成就超過預期 • 遙控技術：通訊雷達、氣象衛星、GPS • 食物：冷凍和乾燥食品、淨水系統 • 居家：記憶泡綿、真空吸塵器、防火材料 • 育樂：積體電路、微晶片 => 現在的電腦、手機 登月計劃對於人類的貢獻
11. • 天文學是最古老的科學之一：曆法對於古代人類的重要性 • 天文現象背後的原理與我們生活其實都是環環相扣 • 目前地球上大部分綠能源都是來自於太陽的能量及行星之間的運行 • 例如：太陽能、風力、潮汐，生質能源 • 優點：在有生之年取之不盡、環境衝擊小 • 缺點：目前的技術對於綠能的效率仍然有待改進(技術成本較高) • 如何讓這門古老科學在提供能源上面派上用場呢？ 天文與能源的關係是什麼？
13. 潮汐發電
14. 月球與太陽引力的能量 從地球上方觀測 一天的潮汐變化 一個月的潮汐變化 潮汐：海洋受到太陽和月球的萬有引力作用引起的漲落現象 地球上的潮汐每天有二次漲潮二次退潮 地表的地型影響甚大
15. 在海水漲潮或落潮過程中，由水進出帶動發電機發電 優點：不需要燃料、沒有污染、不受洪水或枯水影響 缺點：成本較高、技術複雜、潛在對海洋生物的影響 潮汐發電
16. 法國 朗塞潮汐發電廠
17. 潮汐發電的現況 • 1966年設立第一個潮汐發電站 • 有潮汐發電潛力的站址需要>6公尺 的潮差(世界最高為10公尺) • 台灣海岸潮差大多小於3公尺 • 目前全世界有在運轉的有(10-1) • 地型要求度高，對海洋生物及潮間 帶的環境衝擊為主要的反對原因 • 潮汐水力發電是一種尚未完全成熟 的發電技術。 • 現在仍有許多潮汐發電技術正在研 發，包含利用洋流的發電(台灣)。 Sihwa Lake Tidal Power Station
18. 太陽能
19. 太陽能
20. 太陽 • 大小：130萬倍地球大 • 重量：33萬倍地球重 • 溫度：5472度 • 年紀：46/110億年 • 太陽系能量的來源*
21. 聚光太陽能熱發電（CSP） • 用透鏡或反射鏡和跟蹤系統陽光聚焦，並利用光電效應將電流，供電時間為用電高峰 • 西班牙與美國是部署最多的國家，中東國家也積極計劃中 太陽能板 • 1881年，第一塊商用太陽能板問世。 • 1954年，貝爾實驗室製做出第一個可量產的太陽能板 • 由於成本與產能的因素，目前矽晶太陽能板仍然是主流 太陽能
22. 人造衛星太陽能板 • 太空船的太陽能板應用開始於1958年：先鋒一號(Vanguard 1)是第一台使用 太陽能板的人造衛星 • 1990之前，大都是用結晶矽太陽能板；1990年代後，都是使用砷化鎵太陽 能板(39-47%) • 至今，飛行於木星以內的太空船仍然使用太陽能為主要能源(木星以外需要 使用放射性電池) 太陽能
24. • 由於地球自轉軸跟公轉平面有約23.5度的傾斜，造成在一年當中會有不一 樣的日照強度而形成季節 不同季節的太陽位置
25. • 將太陽能板調整至垂直太陽入射光線可以獲得最大的照射量 如何最有效率的接受太陽光
27. • 在任何時間，任何地球上的位置，都能簡單的算出太陽在天空的位置。結 合現代電腦自動化的技術(成本)，就能大幅提升太陽能發電的產出。
28. 太空採礦
29. • 以台灣為例，工業用電佔總用電比例超過50% • 在近幾十年來，天文學家發現不少近地小行星有豐富的資源(水碳硫氮磷銥鈀鉑砷硒鍺) 太空採礦
30. 太空採礦 • 雖然技術尚未成熟，但是開發小行星資源能有機會解決礦產資源衝突、能 源儲備問題，不污染地球環境 • 由於小行星上不存在生命，也不至於會破壞生態系統
31. 太空採礦 • 大型太空太陽能發電設施，有機會減輕地球上的工業用電壓力 • 將有資源的小行星拉至地球附近開採，未必比對地表深處開採的難度高 • 現在已經多間公司為此成立：B612、Planetary Resources、Deep Space Industries、 Asteroid Mining Corporation Limited • 因為太空探測的成本下降，各式試驗性的太空船陸續要發射
32. 核融合發電
33. 核融合發電 • 有別於目前世界上使用「核分裂」的核電廠：鈾或鈽分裂成較輕的原子 • 原子彈：快速不受控制的方式分裂 核電廠：人為控制能量產生速率 • 兩個氘在一定條件下(高溫和高壓)，發生原子核聚合，生成中子、氦、能量
34. 核融合發電 • 離我們最近的核融合發電廠：太陽中心 • 溫度需要千萬-億度 • 重力與核融合的熱量達到平衡的一個氫氣球
35. 核融合發電 • 核融合候選燃料： • 氘可從海水中獲得 • 氚可用中子接擊鋰獲得 • 氦-3地球存量非常少月球或是木星可能有機會採礦獲得
36. 核融合發電 • 國際熱核融合實驗反應爐(ITER)： 35國成員，預算可能超過200億歐元 • 位於法國，是目前世界上最大的磁電漿核融合反應爐 • 2020進入組裝階段，預期2025進行電漿實驗
37. 光害防治
38. 天文觀測的殺手 - 光害
39. 天文觀測的殺手 - 光害
41. 0 1250 2500 3750 5000 101大樓 玉山 毛納基火山
43. 光害對於人類的影響 • 17世紀時法國路易14國王，實行了公共照明政策，安裝了公共照明設備。 • 照明燈具更新為LED的確可以大幅降低用電量 • 但是2012年到2016年，地球的室外人工照明面積及夜間亮度每年增長2％ • 大部分LED燈所發出的光為短波高能量光源(藍光)，有對眼睛視網膜有傷害 的可能性。LED燈，也有導致人體的生物鐘紊亂，影響人的睡眠的風險。 • 由於夜晚是大部分人休息的時間，就是間接的浪費能源
45. • 2019.08 國際暗空協會（International Dark-Sky Association，簡稱IDA）認證， 台灣首座、亞洲第三座暗空公園 • 注重光源管制、路燈的管理和修繕 • 選擇低色溫的OLED燈，可節能又能減少光害。 • 清境觀光協會一同推動「關燈公約」 • 創造新的觀光產業 • 日本鳥取縣推廣天文觀光結合市民減燈 • 借鏡：日本西表島、北海道美瑛町、阿智村 合歡山暗空公園
46. 合歡山暗空公園 台灣星空守護聯盟 海西諮詢顧問有限公司 台灣星空守護聯盟