文／曾慶良（阿亮老師）
●綠能可以再生 對環境影響小
綠能，也稱為再生能源或可再生能源，是指從自然環境中獲取的能源，如太陽、風、雨、潮汐和地熱，這些能源不會因使用而耗盡，因此被稱為「可再生」。與此相反，像煤炭、石油和天然氣這些傳統能源，在使用後就會減少，而且這些能源在燃燒時會釋放大量的二氧化碳和其他有害氣體，這些氣體對環境和人體健康都有害。運用綠能的好處之一是它對環境的影響較小，因為在生產電力或熱能時，釋放的汙染物較少。這意味著使用綠能可以減少空氣和水的汙染來保護地球。就讓我們一起來了解，關於綠能的取得、如何計算綠能的生產效益，以及如何儲存綠能等這樣具有未來性的議題吧！
隨著地球上的人口持續增加，我們對能源的需求也日益增加。過去，人們主要依賴煤炭、石油和天然氣作為主要的能源來源，但這些能源不僅存量有限，而且在使用過程中會釋放大量的溫室氣體，如二氧化碳，對地球的氣候產生嚴重影響，因此，尋找和使用更環保的能源已經成為當務之急。
其次，地球的氣候變化已經引起了全球關注，科學證據顯示，人類活動是導致氣候變化的主要原因之一，使用傳統能源所產生的二氧化碳和其他溫室氣體是氣候變化的主要驅動因子，綠能發電釋放的溫室氣體少得多，或者幾乎不釋放，因此，轉向綠能可以大大減少我們對氣候變化的影響。
●透過發電機 動能變電能 讓動能持續 電源源不絕
動能轉換為電能的原理其實是建立在磁和電的交互作用，通過這種交互作用，我們可以利用各種自然的動力資源，例如風力和水力來驅動發電機，產生我們所需的電能，這不僅提供了一種環保的能源解決方案，也是當今社會對於可再生能源的主要依賴。
電的生成原理其實是一個非常有趣且奧妙的科學現象，從最基礎的層面來看，電能的產生是通過將其他形式的能量轉換成電能來實現的，而最常見的轉換方式是將動能轉換成電能，簡單來說，動能是一個物體因其運動而擁有的能量。舉例來說，當你騎自行車下坡時，自行車由於重力的作用而加速，這時它擁有的動能在增加。
那麼，動能又是如何被轉換成電能的呢？這裡我們要介紹一個叫做「發電機」的裝置。發電機的工作原理是利用磁場和線圈之間的相互作用來產生電：：當線圈導線在磁場中轉動時，線圈中的磁力線數量改變，這個變化使得導線產生感應電動勢，進而產生電流。因此，只要我們能提供持續的動力來源，像是水流或風力，我們就可以利用這個動能驅動發電機，讓線圈在磁場中轉動，從而產生電能。
在現實生活中，這種原理被廣泛應用於各種電廠。例如，在水力發電中，流水驅動一個巨大的水輪旋轉，而這個水輪又驅動發電機。在風力發電中，風推動風車的葉片旋轉，葉片的旋轉再驅動發電機。
當然，轉換效率並不是100%，意思是說，不是所有的動能都能完全轉換成電能，有一部分能量會在轉換過程中以熱能或其他形式的能量流失，這也是為什麼我們需要不斷地研究和開發更高效的發電技術，以確保更多的動能可以被有效地轉換成電能。
●綠能受制轉換效率 高效率才能低成本
上面說到，無論以動能或熱能轉化並不是百分之百轉化為電，講的是轉化為電的效率，效率是一種衡量系統輸出和輸入之間關係的指標，通常表示為百分比。對於發電系統，效率就是從系統輸入的能量中，成功轉換成電的比例。換句話說，如果一個系統的效率是90%，那麼這意味著其90%的輸入能量被轉換成了電，而其餘10%可能因各種原因（如熱損失）而消失。綠能發電的轉化效率是一個在再生能源領域中經常被討論的話題，而每種綠能技術都有其特定的轉換效率，這意味著某個特定的能源量輸入到系統中，只有一部分能夠被成功地轉換為電能。
評估綠能設備的效率首先需要知道設備的能量輸入和輸出。能量輸入通常是自然資源，如太陽光能、風力能或水流位能；而輸出則是從這些資源中產生的電。有一個簡單的效率計算公式（圖一）。
例如，如果一個太陽能板接收到1000焦耳的太陽能量，並產生出200焦耳的電能，那麼其效率就是20%。
首先我們來看太陽能發電：傳統的太陽能光伏板的轉換效率大約在15%到20%之間，太陽能的轉換效率會受到許多因素的影響，例如使用的材料、氣候和電路的設計。這意味著太陽輻射到太陽能板上的能量中，只有這麼多的比例被轉換成電，雖然目前已經有高效的太陽能板可以達到25%甚至更高的效率，但這些通常成本更高。
講到風能發電的效率則一定提到「貝茲定律（Betz’ Law）」，「貝茲定律」也被稱為風能的最大提取功率，這取決於許多因素，如風速、風車設計和位置，它的結論告訴我們最多只有約59.3%的風能能夠被風力發電機轉換成電能（現行實際的商業風力發電機的效率通常在35%到45%之間）。
水力能，特別是大型水壩，通常好的水流速度和水壩設計有較高的轉換效率，這些效率可以達到85%甚至更高。
地熱能源的轉換效率受到熱源溫度和使用技術的影響。一般而言，地熱發電站的效率在10%到20%之間，但是，地熱能的一大優點是它可以提供持續不斷的能源，與太陽能和風能不同，它不受天氣和時間的影響。
轉換效率是評估綠能技術經濟性的一個重要因素。高效率意味著我們可以從較少的能源輸入中獲得更多的電能輸出，從而降低成本。然而，除了效率之外，還有許多其他因素會影響綠能技術的選擇，如設備成本、操作和維護成本以及地理和氣候條件。
在未來，我們可以期待透過新的材料和設計來提高綠能轉換效率，同時減少成本，使得再生能源更加具有競爭力，加速能源的轉型。
●懂得計算電量電能 了解電器使用情況
計算電量與電能效應之前，先來了解這兩個重要概念：電量與電能。電量是描述電荷的多少，使用庫侖（C）作為單位。它表示穿越某一截面的總電荷量。例如，當1庫侖的電荷穿越某點時，我們就說這點通過了1C的電量。電能是電力在某一段時間內的工作量或消耗的能量，用焦耳（J）表示。當電流流經電阻時，電能會轉換為熱能。
電量與電能的公式為：
Q=I×t
W=V×Q
其中：Q是電量（單位：C）
I是電流（單位：A，安培）
t是時間（單位：s，秒）
W是電能（單位：J）
V是電壓（單位：V，伏特）
這裡舉一個例子：假設我們有一個小型裝置，它在5分鐘內持續使用0.2A的電流運作，而該裝置運作時的電壓為9V。
①計算電量：Q=I×t
將轉換5分鐘為秒：5分鐘=300秒
因此Q=0.2A×300s=60C
②計算電能：W=V×Q
因此W=9V×60C=540J
所以得到：這個裝置在5分鐘內消耗了540焦耳的電能。
從這個例子，我們可以看到如何計算裝置在一定時間內的電量和電能消耗，這些計算在日常生活中有助於我們了解各種電器的能源使用情況，進而選擇更加節能的產品，不僅可以節省開銷，還有助於環境保護。
●固態電池與核融合 研發中的綠能技術
目前研發中的綠能技術有固態電池與核融合兩大技術。傳統的鋰電池可能會有安全問題和壽命限制，而固態電池被認為是下一代的解決方案，因為它具有更高的能量密度和更好的安全性。
核融合是一種模仿太陽內部反應的能源形式，能夠提供巨大的能量，並且過程中較不會釋出放射性物質。
此外，相對現行電力傳輸過程中產生的損耗，微電網也被視為提高能源運用率的改善作法。隨著太陽能和風能技術的成熟，家庭和社區級別的發電站將會更加普及，由區域自主管理發電與負載，達成區域發電自產自用，對於醫院或科技園區，微電網更可在主電網失效時繼續供電，提高能源的可靠性。
未來的能源解決方案將會多元又具整合性。隨著技術的進步，我們可以預期在不久的將來，這些新興科技將帶領我們進入一個更加潔淨、綠色的能源時代。綠能技術和創新成為研發的焦點，目的是尋找更有效率、更潔淨的能源來源，這不僅僅是為了保護我們的環境，還是為了確保能源的持續供應。
從太陽能到風能，到更尖端的固態電池和核融合，都反映出我們對於尋找有效能源解決方案的努力，然而，技術進步只是一部分，實現綠色轉型需要政府、企業和每位公民的共同努力。
原文出自《好讀周報》743期
