(東元Green tech 2009得獎隊伍在頒獎典禮後合照)

為倡導台灣對於綠色科技研發的重視,並鼓勵國內大專青年創新研究精神的「東元科技創意競賽」,今年連續第二年以「Green Tech」為競賽主題,共有46個隊伍報名參賽,包含大專學生及碩、博士生參賽選手和指導教授在內共計254人。15個入圍決賽的隊伍,2009年8月29日在台灣科技大學舉行簡報與展示操作的決賽,在評審團的嚴格評選下,最後由「追火族」、「Eco-Spirit 趴趴走的空間精靈」、「無螢光粉型高效能白光LED燈泡」以嶄新創意擊敗群英,拿到前三名。

為讓更多讀者掌握得獎作品的創意設計和環保內涵、提供給後續參賽者參考,本電子報特別專訪得獎隊伍,由各隊隊長現身說法,介紹作品的創作動機與歷程,如何達成團隊合作與克服執行的困難。以下依序是冠軍、亞軍、季軍作品的介紹:

冠 軍: 追火族

學 校:聖約翰科技大學-機械系
隊 長:林士傑
隊 員:潘世傑、盧宥昇、章光信、楊凱戎

家家煮飯必備的瓦斯爐,也可以靠小創意促進廚房省能大革命!聖約翰科技大學的隊長林士傑看媽媽煮飯時差點被竄出鍋底的大火燙到,便將改善瓦斯爐設計作為研究專題,在團隊通力合作下,先確認火焰最高溫的位置,再設計提供瓦斯爐心升降的平台,不管開大、小火,都可以藉由調整爐心高度,讓火焰最高溫持續作用在鍋底,估計每次煮食可省下兩成到四成的瓦斯。

內燄頂端最熱,調整爐心維持最佳效率

過去自然科學教科書都說,火焰分為焰心、內焰和外焰,燃燒最充分的外燄是溫度最高的地方,但聖約翰團隊的實驗卻發現,外燄因跟大氣接觸最多而散失最多熱量,反倒是受到外燄保護的內燄頂端,才是瓦斯爐火燄熱效率最佳之處。

然而傳統瓦斯爐的爐心採固定設計,開小火會由外焰燒鍋底,開大火則會讓火焰跑到鍋底外面邊緣,底部接觸的是較低溫的焰心,學生靈機一動,想到在使用瓦斯罐的小單爐內,加裝用馬達驅動的升降平台,以簡易電瓶和電線供應馬達電力,就成為全球第一台可手動調整爐心、時時維持燃燒最佳熱效率的瓦斯爐。

林士傑說,隊員盧宥昇家裡剛好是開瓦斯行的,團隊作了幾個月的燒水實驗、用掉十幾罐瓦斯,都要感謝盧家的免費贊助。升降平台的零件加工,由哥哥在工廠工作、對操作機械比較熟悉的章光信負責。由於瓦斯爐內部空間很小,又要避開火的影響,如何把團隊想加裝的東西用最安全的方法配置在爐內,是楊凱戎的任務,潘世傑則擔綱所有文書企劃。

四處找材料,從壞掉的電動座椅拆馬達

一般瓦斯爐點火,是將鐵管或銅管輸送的瓦斯直接連到爐心,為把爐心變成移動式,團隊得改裝耐熱管,一沒裝好就會從管端處噴火,林士傑心有餘悸地說,幸好三次噴火事件都迅速關掉處理,沒有釀災。

「我們團隊全都是機械系的,對電路的東西很不熟,花了不少功夫研究。為了將爐心的移動高度限制在一定範圍內,需要『限位開關』,問了十幾家五金行和材料行,最後從淡水跑到三重才買到。至於調整升降平台的開關,買到有六個接頭的6P開關,試半天才搞懂到底要怎麼接。」林士傑回憶。

聖約翰也發揮物盡其用的精神,從一張壞掉的電動椅拆下還堪使用的馬達,不過馬達軸心和升降平台的軸心無法相合,造成爐心上下移動時不夠穩固,且章光信作的升降平台太大,裝進瓦斯爐後很難上升,兩大問題花了團隊很多時間去微調,最後還是只有把馬達軸心切掉,並請章光信重做一個平台。林士傑說,此次參賽看到別人作品都很強,本以為自家團隊只能當砲灰,榮獲冠軍真是非常意外,此作品已在申請中華民國發明專利,希望未來能有廠商跟他們接洽,讓創意省能瓦斯爐真正走進一般家庭的廚房。至於40萬的冠軍獎金,已決定全部充作實驗室研究基金。

聖約翰科技大學校長陳金蓮說,該校在還沒升格改制前就很重視學生的實作能力,學生要畢業前都得做專題,但很多科技競賽強調學術理論,對技職體系出身的學生比較吃虧,這次學生能在東元Green tech創意競賽拿下冠軍,對全校是很大的鼓舞,她會找適當時機公開表揚得獎團隊,以激勵更多後進者。

亞 軍: Eco-Spirit 趴趴走的空間精靈

學 校:成功大學
隊 長:陳柏維
隊 員:張廉楷、潘晨安、陳鵬倫、賴漢文

在減緩全球暖化的聲浪中,永續節能的綠建築成為人類居住活動空間的新趨勢,讓環保住屋具備與人妥善互動的智慧,則是目前政府推動的科技發展方向,成大團隊整合跨領域的成員集體構思,將模組化的表層機器人(空間精靈)導入建築應用,讓原本死板板的牆壁宛如活了過來,不但會流動,還會發光和呼吸。

空間精靈功能多,麻雀雖小五臟俱全

隊長陳柏維指出,要讓空間精靈們能夠依照使用者的需求遊走於室內外,首需內裝自行研發的驅動電路、壓電致動器、數位訊號處理電路。為了增進建築物吸收太陽光的能力,每個空間精靈附有兩片太陽能光電板、充電電池模組和光感測器,讓它可以隨著太陽的移動調整光電板傾轉的角度,也就是永遠跟陽光保持垂直以得到最有效的儲能功率。此外,內裝「步進馬達」可用來翻轉上蓋結構,以調節室內空間的採光和通風;當太陽西沈,將充飽太陽能的空間精靈們召回室內,每個單元可提供20個LED燈發亮並持續照明約兩小時,內裝的「紅外線人體偵測感測器」會在室內光度不夠、且同時偵測到下方有人才開燈,達到省電功效。

「我們團隊先由建築所的潘晨安提出智慧建築的整體情境與綠色概念,再由機械工程所的張廉楷、工程科學所的陳鵬倫和奈米科技暨微系統工程所的我,將概念具體化和模組化。」陳柏維透露,因為建築人概念天馬行空、比較少接觸電子機械技術,「有時會講出讓我們很頭痛的話」,團隊花了相當多時間作設計人才和工程人才的磨合。

例如空間精靈的結構材料,建築同學一開始覺得用傳統建材的鋼鐵就可以,但鋼鐵太重會讓它走不動也轉不動,工程同學就改用高分子材料(PMMA),既輕又能快速成形,方便將來量產。又如建築同學強調空間精靈要能導風,希望把電路板中間全部挖空、留下很薄的邊緣,也讓必須考量電磁干擾問題、電路設計與佈局的工程同學傷透腦筋,只有盡量把電路板做到最小,固定在空間精靈模組的左右兩邊。

模組靈活,提高擴充性和應用性
 
陳柏維指出,建築同學也讓工程同學了解,原來人類居住的空間可以作如此多元的變化,只要妥善規劃導風系統的設計,就可以降低對空調的依賴。目前空間精靈已經裝上LED模組並完成節能照明機制,未來能加裝小型風扇增加室內導風性。該團隊後年會在成大校園內展示由空間精靈組成的「智慧化機器建築」,希望能做到完全不用空調。

「空間精靈是由單元模組所組成的群體,會流動是指讓這些精靈可兼顧娛樂和美觀,用群體排列做圖形的變化。未來還可視使用者需求,整合洗窗機、自動灑水系統甚至小型投影機。」陳柏維說,目前尚待克服的問題,包括驅動電路不太穩定、充電速度不夠快等,團隊會繼續改善精益求精。


季 軍: 無螢光粉型高效能白光LED燈泡 

學 校:雲林科技大學
隊 長:王柏翔
隊 員:柯 虢、林昭鳳、張博森

LED(發光二極體,light-emitting diode)是一種用半導體做成的固態發光元件,比起傳統的鎢絲燈泡和日光燈,LED燈具擁有更省電、更高發光效能、更長壽命及環保等優點。但由於市場上的白光LED燈具,因使用螢光粉所引發的光衰問題,造成LED至今仍無法取代傳統光源應用在通用照明領域,也就成為雲科大團隊致力突破的目標。

擺脫螢光粉,加速白光LED照明應用

隊長王柏翔指出,坊間的白光LED燈具,係使用藍光LED外鋪一層螢光粉,藉由螢光粉的激發產生白光,但這種方法製作的燈具連續使用三千個小時左右,就會產生高達30%不等的光衰現象;此外,其演色性也不理想,籠罩在此種燈具下的物體呈色,會跟真實顏色有段差距。加上螢光粉專利為國外大廠所掌控,使它很難成為台灣普遍使用的生活照明。

要避開螢光粉專利的限制,用光的三原色「紅、藍、綠」重疊混合出白光,就成為替代方案。然而,現有的混光技術成本太高,每三個LED才能產生一個白光,且在無法完全重疊的邊緣,會形成不均勻的色塊,加上不同顏色的LED所需的驅動電路不同,提高了設計的複雜性和散熱的困難度,讓量產後的產品良率偏低……這些缺點,都讓混光型白光LED燈目前只能作為特殊照明的情境燈。

王柏翔說,為了克服上述困境,在許明華教授、林蘇宏博士與黃建盛教授的指導下,四位同學組成的團隊耗費八、九個月,反覆討論修正,終於推導撰寫出一套「混光排序規則演算法」,只要輸入包括消耗功率和配光曲線的照明規格,這套演算法就可以推算出最佳的混光排列方式,以多色LED組成符合該照明規格的白光LED燈具。

排序規則演算法,混光排出更優質照明

以某知名廠商23瓦省電燈泡的照明規格為例,用雲科大團隊研發的混光排序規則演算法來推導,可得到168顆LED的排列組合,於是王柏翔和柯虢負責設計印刷電路板布局和光學模擬,張博森、林昭鳳負責LED驅動電路設計,四人合作把演算法得到的結果具體化,果然排列出一個照度充足、方便調光、演色性更優、壽命更長的白光LED燈具。

隊長王柏翔指出,與某知名廠商23瓦省電燈泡比較,雲科大的混光型白光LED燈具耗電功率僅10.53瓦,在相同照度的條件下,省電量最高能達60%,發光效率提高五倍;前者演色性約80,後者大於90;從光衰幅度推算,雲科大的混光型白光LED燈具壽命超過三萬小時。

雲科大團隊強調這不僅是研究計畫,此研發成果正在申請中華民國專利,且關鍵LED光源元件與白光照明模組均已標準化,乃是真正容易導入量產製程的實用產品,希望未來能促進台灣自製高品質的LED通用照明環保燈具。

 

 

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