能的轉換

海洋熱能轉換（Ocean Thermal Energy Conversion）
台東專校化學科鍾玉峰退休老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

海洋熱能轉換（OTEC）是一種利用深海與海面的溫差來發電的方法。如同一般的熱機（Heat engine）一樣，溫差愈大愈有效率，發電量也愈大。一般溫差在20℃以上，即可產生淨電量。因此表層海水與一千公尺下海水的溫差20℃左右，就有利用價值。OTEC主要的技術挑戰是要在很小的溫差條件下，還要有效率地產生顯著的功率。

海洋面積佔地球表面的70%，太陽幅射產生的海面與深海的溫差，蘊含著大量的太陽能，可供人類使用。若能以經濟的方式大規模地萃取此再生能源中的能量，即可解決各種能源問題。其總能量比波浪能（Wave power）大十到一百倍；但因溫差小，熱效率低，使得能量萃取較昂貴又困難。

在熱力工程上，熱機的概念是很常見的。人們透過熱機來將熱能轉換為其他有用的能量，熱機是一個熱力學（Thermodynamic）裝置，安置在一個高溫源（High temperature reservoir）與低溫源（Low temperature reservoir）之間，當熱由一個熱源流向另一個時，熱機就將一些熱能轉換成作功（work）的能量，如蒸汽渦輪機，內燃機等都運用此原理，但OTEC不用燃料燃燒產生的熱能，而是利用太陽加熱造成的海面水與深海水的溫差來發電，它是一種乾淨能源。

太陽電力 （Solar Power）
台東專校化學科鍾玉峰退休老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

太陽電力 （Solar Power） 就是利用太陽能所轉換成的電力，它是目前地球上最可利用的能源。太陽能轉換成電流的方式有兩種：一種是藉由光伏電池PV （Photovoltaics）直接轉換，另一種是藉由聚光式太陽電力CSP （Concentrating Solar Power） 間接轉換。PV（Photovoltaics）可代表一種太陽電池運用的科技與研究領域，也可以是一般所稱的太陽電池或光伏電池，它是用矽晶片為電極材料，將太陽光直接轉變成電流。聚光式太陽電力則是利用透鏡等聚光設備將太陽光匯聚成小光束，轉換成高熱，再經由發電設備發電；或是將光束集中在光伏電池（PV）的表面上來產生電流。聚光式太陽電力主要運用在北非與南歐的乾燥地區來產生電力與純化含鹽分的水。

地熱電力（Geothermal Electricity）
台東專校化學科鍾玉峰退休老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

地熱電力是指利用地熱加熱地下水變成蒸氣，以啟動渦輪機來產生的電力。其發電原理與火力發電相同，不同的是地熱發電不需要燃料與鍋爐，地熱本身是熱源，只需將蒸氣引進，就可達到發電的目的。

由於地熱流體溫度不夠高，因此地熱電廠的熱效率（thermal efficiency）較低。由熱力學定律得知，這樣的低溫會限制熱機（heat engine）在發電過程中抽取有用能量的效率。為了產生較多的能量，發電時需要溫度較高的地熱田與專門的熱循環（heat cycle）。現今發電技術主要有四種應用系統：地熱蒸汽發電系統、熾熱岩發電系統、雙迴圈發電系統與全流發電系統，茲分別介紹如下：

1. 地熱蒸汽發電系統：本系統分成「乾蒸氣（dry steam）式」與「閃化蒸氣（flash steam）式」發電兩種，前者是直接利用地熱乾蒸氣（150℃或超過）來轉動渦輪機發電，為最簡單及古老的方法。後者將高溫地熱水通入低壓槽使其閃化成蒸汽，再經蒸氣與熱水分離器除去熱水，由閃化蒸汽（180℃或超過）啟動渦輪機發電，這是目前最常運轉的發電形式。

鎳氫電池（Nickel-metal Hydride Battery）
國立台灣大學化學系黃俊誠博士/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

鎳氫電池（Nickel-metal Hydride Battery或Nickel-metal Hydride Cell）的縮寫為NiMH，以吸附式氫氣合金電極為陽極，取代鎳鎘電池中的鎘金屬，如同鎳鎘電池，其陰極電極為氫氧化亞鎳（Nickel oxyhydroxide；NiOOH）。（圖一）由於此合金可吸收高達本身體積100倍的氫，儲存能力極強。和鎳鎘電池相比，兩者皆為1.2伏特電壓；鎳氫電池的電池容量（Capacity）約為鎳鎘電池的2-3倍，具低記憶效應與高自放電（Self-discharge）特性，可在一小時內再充電，內阻較低，一般可進行500次至1000次的充放電循環。但是與鋰電池比較，鎳氫電池的體積能量密度較低，行放電較高，且較高的記憶效應。因為鎳氫電池不含鎘，並且無鎘重金屬污染之虞，被譽為最環保的電池。

鋰電池（Lithium Battery）
國立臺灣大學化學系黃俊誠博士/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

鋰電池的研究最早是在1912年由Gilbert Newton Lewis開始進行鋰離子電池之研究，真正上市的第一顆鋰電池是在1970年上市，但是它不能重複充電使用，為一次性鋰電池。一次性鋰電池以金屬鋰為陽極，碘為陰極，碘化鋰為電解質。鋰電池早期用於心律調整器，可維持十幾年的壽命。其反應方程式如下：
陽極反應：2Li_(s) + 2I^–_(aq) → 2LiI_(s) + 2e^–
陰極反應：I2(l) + 2e^– → 2I^–(s)
總反應：2Li_(s) + I_2(l) → 2LiI_(s)     總電位 = 3.0 伏特

可重複使用鋰電池的開發是自1980年英國谷登拿（John B. Goodenough, ）教授發表鋰鈷電極材料的論文開始，1991年日本Sony公司正式推出鋰離子二次電池商品。二次鋰電池特點為能量密度高、操作電壓高、輸出功率大、放電平穩、工作溫度區間大、充放電循環可達500次以上、自放電低、儲存壽命長，被視為目前最主要的二次電池。

水銀電池（Mercury Battery）
國立台灣大學化學系黃俊誠博士/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

水銀或稱汞電池，形狀大小如一般的鈕扣，因此又稱鈕扣電池。它屬於不可充電的一次化學電池。雖說早在100年前便已熟知的氧化汞-鋅電池系統，但一直未被廣泛使用。1942年由金頂（Duracell）電池的創立者，山謬•魯本（Samuel Ruben）與Mallory公司於二次大戰期間共同開發出第一個放電平穩的水銀電池。和多數發明一樣，初期只使用在金屬探測器、軍需品與軍用無線電的手提電話等軍事用途上，到了戰後才逐漸被民間廣泛地使用，例如小型的電子裝置心臟起搏器（cardiac pacemaker）等。水銀電池壽命可長達十年之久，電壓約維持在1.35伏特。大多數電池的電位會隨電池放電而下降，尤其是到使用壽命的末期時這個現象會特別明顯，而水銀電池即使是在電池壽命即將終了之時，仍可保有穩定之電壓。但因其價格較高，且含汞，有環境汙染的問題，目前已減少使用，甚至有些國家已禁用。

鋅碳電池 (Zinc-carbon Battery) 與鹼性電池 (Alkaline Battery)
國立臺灣大學化學系黃俊誠博士/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

鋅碳電池，又稱鋅碳乾電池、碳性電池、碳性電芯，外殼由鋅構成。第一個商用乾電池是由法國科學家勒克朗社（G. Leclanché, 1839-1882）所發明，電池的陽極是鋅罐。陰極是一支碳棒（石墨棒），碳棒是惰性電極，只作為電子的通路，本身沒有直接參與化學反應。兩電極之間填滿了氯化銨（NH₄Cl）為電解質、二氧化錳（MnO₂）和氯化鋅（ZnCl₂）的飽和溶液以及一些惰性漆料濕漿糊（圖1）。當電極被連接時，陽極的鋅即被氧化就失去電子(e^–)。失去的電子便經由電線跑到陰極，使NH₄Cl中解離出的NH₄⁺離子還原成NH₃，同時也形成氫氣。釋出的氫再被二氧化錳所氧化，而NH₃則被利用形成錯合物Zn(NH₃)2Cl₂。

陽電極上發生的氧化作用：

Zn(s) → Zn²⁺ (aq) + 2e^–

陰電極上發生的還原作用：

2NH₄⁺ (aq) + 2e^– → 2NH₃(aq)＋H₂(g) 2MnO₂(s) + H₂(g) → Mn₂O₃(s) + H₂O(l)

鋅離子則與氨反應，生成錯合物：

Zn²⁺ (aq) + 2NH₃(aq) + 2Cl^–(aq) → Zn(NH₃)2Cl₂

電池內的整體反應：

2MnO₂(s) + 2NH₄Cl(aq) + Zn(s) → Zn(NH₃)2Cl₂ + Mn₂O₃(s) + H₂O(l)

鋅碳電池的電壓為1.5 V，這種電池適用於只需少量電流的電器。此電池至少有兩個缺點，第一若電池放電太快便不能及時除去生成的氣體，令電壓減低，要暫停使用一會，電壓才能恢復到原來的水平；此外這種電池的壽命亦較短，這是因為除了鋅電極放電時會反應之外，電池在未使用時，酸性氯化銨也會與鋅電極發生作用。一段時間後鋅外殼會變薄，電池內的糊狀化學藥品便會泄出，因此在電池外常加上一層鋼製或膠製的外殼，防止與大氣作用，亦可防止糊狀化學藥品泄出。

廢棄電池（The Wasted Battery）
台東專校化學科鍾玉峰退休老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

現今電池的應用非常普遍，但它含有毒性的重金屬成分，例如鉛蓄電池中的鉛，鎳鎘電池中的鎳、鎘，水銀電池中的汞等，都具高毒性。如果廢棄電池沒做好適當的回收處理，將造成嚴重的土壤與水質污染，威脅到人類健康與生態環境。因此在享用電池的便利之際，能認清電池金屬成分的毒性及其可能造成的危害，做好防範與回收處理，有助於我們對環境維護，盡一分力量；並確保我們能擁有一個安全的生活空間。