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史特林引擎與能源教育

2006/03/05 經濟部能源局 點閱人次: 414

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▓撰文╱圖片:周鑑恒

蒸汽機的發明,開啟了工業革命的序幕,緊接著各種內燃機相繼問世,人類從此徹底擺脫了獸力和人力的限制,這些統稱為熱機的各種發動機,將煤、石油等能源,變成人們所需的各種動力,使得人類的生產力和創作力有了亙古未有的長足進步,深遠改變了全體人類的生活方式和文明軌跡。

在高油價時代來臨,以及面對「京都議定書」揭櫫的環保願景,台灣並不願意過度依賴核能,並決心建設大家共同夢想的綠色家園,能源多元化因此成為重要國策;燃眉之急的是,有何可行的方案能加速夢想的實踐?

利用溫差運轉的史特林引擎

史特林引擎(Stirling engine)是一種藉由溫差運轉的外燃引擎,除了可以使用各種燃料之外,還可以使用包括:地熱、太陽能、垃圾、工廠廢熱、天然氣、核能等發電。此外,它運轉時並無爆炸或高速氣流,因此非常安靜,且結構簡單,熱能轉換成動能的效率相當高。這些的特性,正好可實現善用周遭所有多元能源、儘量避免浪費的未來能源利用型態,其重要性不可言喻。

如果使用燃料,控制在最佳的燃燒狀態下燃燒,所產生的環境污染可以降到最低;如果使用太陽能或地熱等,則根本無污染。例如:將廚餘、廢棄食用油、垃圾製成的燃料,搭配生質能、非傳統用油、甲烷冰等新燃料,做為社區電廠中史特林引擎的燃料,以這種小型的分散型電源取代傳統大型電廠,就近提供社區穩定的電力,直接省掉在高壓輸電線和在其上損失的大量電力,又因為燃料品質的主要訴求只是燃燒乾淨,並不一定要是液態或氣態,因此燃料製程較簡易,還可順便處理掉惱人的廢棄物,一舉兩得,而現有其他燃料也立即可派上用場;在鄉村,則就近取材,利用農業廢棄物、牲畜排泄物製成燃料,再加入其他燃料,做為史特林引擎發電廠的燃料,不必大費周章,即可就地提供偏遠地區電力。又例如,在適合的地區,利用太陽能或地熱,推動史特林引擎發電,電解水以生產氫燃料,做為氫燃料電池的初級能源。

融入教學是最佳的推行方法

隨著材料科學及各種加工工藝的發展一日千里,科學家正不斷改良並製造更實用的史特林引擎。事實上,史特林引擎現在已經實際運用在瑞典海軍現役潛艇、美國太空總署深太空探測船、太陽能發電設備、寒帶地區暖氣和發電共生機組。大型史特林引擎的輸出功率已高達5,000馬力。

因此,先進各國正積極開發應用在各種領域的新機型,逐漸增加研發的人力、物力;並且為了厚植研發史特林引擎的實力,引起社會大眾的重視,還定期在各級學校推動史特林引擎的科學教育活動。

親手製作一具加熱就真的能動的引擎,其中的驚奇,非筆墨所能形容。史特林引擎的教學活動,不只是一項能源教育,更是解決能源問題的具體方案之一,除了具有樂趣橫生的獨特科教意義,更提出了一項尚有很大發展空間的科學研究題目,有助於啟發年輕一代突破能源困境的見識與雄心。

自2000年起,筆者陸續開發一系列適於教學製作的史特林引擎,並獲得東吳大學前校長劉源俊及國立自然科學博物館館長李家維的支持,進而指導北一女中數理資優班的學生,在一女中前校長陳富貴及黃光照、陳文盛、杜國禎、黃?瑩等老師的共同協助之下,首度完成了高中生自製史特林引擎的創舉。

之後北一女學生更主動邀請建國中學學生參與,在建中校長吳武雄和主任羅徵祥的鼓勵之下,獲得建國中學資優班和航空社、自然科學社的響應,當時台北市教育局副局長陳益興(現任中教司司長)曾親臨指導,舉行了首屆北一女和建中共同製作史特林引擎聯誼賽。筆者同時也與科博館博士葉蓉樺和助理研究員劉冠任合作,授權科博館產生史特林引擎套件,多次舉辦各種史特林引擎研討會,並得到十幾所高中師生的熱烈迴響,使得史特林引擎的自製活動在校園中逐漸流行起來。

許一個好的開始

展望未來,史特林引擎的普及仍有一段路要走,除了普及配套條件未臻成熟之外,該引擎還有若干缺點尚待克服,包括:與將燃料混在工作流體中燃燒以迅速加熱工作流體的內燃機比較起來,史特林引擎的馬力較有限;史特林引擎是外燃引擎,製作的材料必須耐得住高溫,又不致於減低強度,但目前可用的材料尚無法完全滿足這樣的條件。此外,為了增加史特林引擎的馬力,工作流體需要改用高壓氦氣,但完全防止高壓氦氣的洩漏並不容易。

幸運的是,筆者日前獲得裕隆集團執行長嚴凱泰的出資贊助,並與教授劉源俊共同主持該項研究計畫,將進一步研製史特林引擎動力車,首創以燭火推動史特林引擎車;另筆者亦將持續指導北一女中和各高中學生製作史特林引擎。相信在各界的協助及努力下,台灣的史特林引擎研發將有一個好的開始。(作者為蘭陽技術學院光電系教授暨科技教育中心負責人)


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