臺大學術卓越系列報導─工學院　發展綠色能源研究基地

我國由於地狹人稠，天然資源缺乏，國民對核安亦有疑慮，因此「確保核安、穩健減核、打造綠能低碳環境、逐步邁向非核家園」為能源政策目標，並規劃我國再生能源總裝置容量將由99年3328 MW成長至114年9952 MW，而119年進一步成長為12502 MW，占當年度電力系統總裝置容量16.1%之積極目標。再生能源依我國再生能源發展條例定義，包含太陽能、生質能、地熱能、海洋能、風力、水力及廢棄物所產生之能源等。然而目前再生能源應用比例仍低，且欠缺有效使用替代能源，減少基載能源的需求，節能關鍵技術及相關高階研發人才。

工學院擬於後頂大計畫提出綠色能源研究基地以發展我國關鍵能源技術，基地之願景為成為永續能源之國際研究重鎮，以開發前瞻性替代能源技術，兼顧環境永續發展，並培育能源科技高階人才，來因應我國產業未來的能源需求。為達此目標，將以臺大工學院、理學院、石油化學研究中心、全球變遷中心、及策略材料國際研究中心協同國際頂尖研究單位及能源國家型計劃共同開發下世代綠色能源與能源永續應用管理，創造國內新興的能源產業。重要研究方向包含：(1) 大面積高效能太陽能電池開發：開發分散式自用型太陽光電系統並應於建築節電技術；另一研究方向為，研發具有高效率之可拉伸太陽能電池，並且搭配roll-to-roll製程製造大面積太陽能電池，以提供穿戴式產品與工廠之自主電能供應；(2)前瞻離岸風能及海洋能發電機組開發：將開發離岸深水區浮動風電機組前瞻技術，並結合風洞之建置，發展浮動式離岸風電機組之試驗平台以及浮游式黑潮發電先導機組；(3)新興替代能源管理與工廠節能技術：在替代能源監測管理系統開發上，將結合材料科學與地理資訊系統，並利用環境監測感測器與發電模組，整合為監測資訊模組，同時將製程產線之能量供應使用最適化，以達到節能及能源再利用效果；(4) 能源科技國際學程：由全球變遷中心開設能源科技國際學程，培育高階人才。茲列舉下列能源技術成果：

(1) 大面積高效能太陽能電池開發-1：機械系黃秉鈞教授利用節電與太陽光電達到近零耗能 –非核家園的關鍵

臺灣位於火山帶，地震頻繁又不可測，加上颱風侵襲多，核電成了社會安全最大隱憂。非核家園是全民共識，但須遵守三個不二法門才能實現: (1)加強空調照明節電降低電網負載；(2)採用分散式太陽光發電系統，發電自用、不回售電網，以避免電網輸配電問題；(3)利用蓄電儲存太陽能以平衡夜間負載，替代核電基載。

在科技部第二期國家型能源科技計畫支持下，新能源中心於機械系進行一項示範工程(D-1)，展示替代核電的技術。設計時先進行節電，再裝設分散式自用型太陽光電系統。D-1示範系統設於工綜館五樓機械系辦公室(50坪/15位員工)，是屋齡超過二十年的舊建築，建築本體無法更改，只能做局部加強節能並改善耗能設備，節能改善前每天用電約81.3 度電(kWh)。更換高效冷氣機(COP 5.7)與LED照明後節電55%，窗戶貼隔熱膜阻擋太陽光紅外輻射節電約5%，將15台桌電改為筆電節電10%，四項修改的節電量共達70%。最後裝設新能源中心開發的5.88 kWp自用型太陽光電系統(含蓄電池2.88 kWh、不回售電網)，節電約20%，總節電達90%，每天耗電降至8.2 度。

D-1於2014年七月初完工開始運轉，2015年測得的建築耗能指標EUI值(energy utilization intensity)為9.2 kWh/m2 y，接近零耗能(near zero energy)!　D-1初期總投資約90萬元，二十年可省電約220萬元(如在臺南實施約240萬元)。這是舊建築物透過節能改良以及裝設自用型太陽光發電系統後，使耗能巨幅降低達到近零耗能，並具經濟效益的罕見成功實例。本案例相當於一般商業辦公樓的實際情形，因此可以大量複製推廣，使非核家園早日實現。

(2) 大面積高效能太陽能電池開發-2：材料系陳俊維教授

材料系陳俊維教授實驗室，長年來致力於新穎奈米材料於新世代能源之開發。過去主要致力於有機太陽能電池之開發[1,2]。近年來之研究領域，主要著重在二維原子層石墨烯材料於太陽能電池上之應用[3,4]及最新鈣鈦礦太陽能電池之研發。石墨烯(Graphene) 是最近幾年在科學上最重要之發現之一，由於應用在非常特殊之電子、機械，導熱及光電，使之引起全世界研究人員廣泛研究。在2004年被發現後，很快於2010年獲得諾貝爾物理獎。最近，陳教授團隊其利用化學氣相層積法(CVD) 成長高品質之石墨烯材料，並將其成功應用於能源與光電元件上。首先單原子層石墨烯與矽相結合，做成Schottky太陽能電池。並利用其所開發之自我填補之技術，將石墨烯在成長之Crack自我修復，並得到相當高之太陽電池轉換效率且有非常高之填充因子。又進一步利用原子層材料可藉由外部介質之電荷移轉，提出”光敏化透明導電電極” (photoactive graphene heterostructure transparent electrode) 的新觀念，應用於石墨烯/矽界 之太陽能電池，並大幅提升其效率。此外，陳教授團隊亦將率先將硫化鐵(FeS2) 奈米粒子成功的應用於太陽能電池及光偵測器上之應用。硫化鐵(FeS2)是地球上蘊藏最多之礦物之一，近年來被預測為未來非常有潛力之低成本之能源材料。然而，過去十年來，科學家還是無法成功將其應用於光電元件上。最近其在硫化鐵(FeS2) 奈米粒子之表面及interface製作上有所突破，使其能成功應用於新能源之觸媒及光電元件中[5]。目前，其研究團隊主要是著手於世界上最新的鈣鈦礦太陽能電池之研發。其最近之研究成果主要是利用奈米粒子之晶種成膜之觀念，大幅改善鈣鈦礦太陽能電池之光電轉換效率[6]。目前，其主要研究方向為結合新穎之原子層材料之獨特性，開發高效率可撓性鈣鈦礦太陽能電池。過去幾年，其團隊在此領域之相關研究共有9篇論文被列為選為高度引用論文。參考文獻:[1]. JACS, Vol. 131, 3644, (2009); [2]. Nano Letters, Vol. 13, 2387, (2013); [3]. Advanced Materials 27(10), 1724, (2015); [4]. Energy & Environmental Science 8(7), 2085, (2015); [5]. Angew. Chem. Int. Ed. 52,6694, (2013); [6]. Energy & Environmental Science ( DOI: 10.1039/C5EE03229F) (2016)

(3) 前瞻離岸風能及海洋能發電機組開發：工科海洋系江茂雄教授、邱逢琛教授

行政院千架海陸風力機之規畫，擬於2030年達到陸域風機450組共1,200MW，離岸風機600組共3,000MW，投入金額達7,000億臺幣，未來更可能提早於2025年達到離岸風機4,000MW，投入金額預估達20,000億臺幣，是我國繼半導體、平面顯示器兩兆產業之後另一兆級產業，而國際離岸風電之發展更成指數成長。就國內產業而言，除離岸風場之開發外(如台電、上緯、永傳、中鋼等單位)，更重要是發展國內自主之離岸風機技術。工學院離岸風能團隊由工程科學及海洋工程學系十餘位教授、中正大學電機系、中鋼集團、核能研究所、海洋及船舶船業研發中心等單位組成。而中鋼集團目前正積極投入發展國產化大型離岸風力發電機組，發展國內自有品牌之離岸風電機組，整合國內離岸風電機組供應鏈，本研究團隊對國內離岸風電產業發展，將有立即之效益，並將成為國內學界離岸風電機組最大之研究中心以及國際重要離岸風能研究中心。

離岸風機研究配合目前正執行之第二期能源國家型計劃NEPII，兼顧國內離岸風電產業發展之需求以及前瞻性技術之研究，國內離岸風電產業發展之需求針對以50m水深以內之固定式離岸風機所需之技術，發展離岸風機之設計分析及控制技術；發電機、電能轉換及併網技術；離岸風場環境影響評估等，其中離岸風機之設計分析及控制技術更包含：離岸風機之控制及全機組動態模擬、預兆式健康管理系統開發、葉片與塔柱安全性監測、葉片複合材料及支撐結構安全性分析、風機轉子氣動力優化、運轉壽命與安全性分析、建置設備技術發展等。

黑潮能源對於臺灣能源為另一重要潔淨海洋能源，於全球洋流發電產業發展極具潛力，且目前國際上尚無適用於大水深且符合經濟效益的商轉機組，而主要參與研發國家起步亦尚未久，現階段仍有諸多技術挑戰尚待克服。臺大工科海工系九位教授與海大系工暨造船系、台經院一所以及台船公司合作形成的海洋能研發團隊將配合執行中的能源國家型計劃NEPII，藉由本計畫建立研究基地，以洋流能開發所需的創新前瞻技術研發及學術研究為核心，以促成黑潮能源開發的實現和國內前瞻的洋流發電產業的發展，並建構成為國際上重要的洋流發電技術研究基地之一為目標。

(4) 新興替代能源管理與工廠節能技術-1：陳誠亮教授

103年我國的能源總消耗量大約為98百萬公秉油當量(1 MkLoe大約相當於100億度電的能量)，其中，工業部門的消耗量大約佔總能源消耗量的46%，因此工業節能是推動節約能源的重點部門。再觀察工業部門所消耗的能源型態，其耗電量約占全國總耗電量2,500億度的41%，一般而言電能設備的能源轉換效率通常比較高，但是另有將近20%所消耗的能源是以各種熱能的形式應用，後者是工業節能相對比較有發展潛力的領域。

以某大型石化公廠為例，該公司擁有數座煉油廠，以及發電裝置容量超過2百萬瓩的汽電共生廠。其中公用事業部負責包括公用蒸汽的生產及輸配，管路規模相當龐大，全廠蒸汽管網主管線管總長度達三、四十公里，不間斷供應大量能源，最為上、中游各製程工廠得主要熱量與動力來源之一，同時也配合製程需要，於適當處透過蒸汽透平帶動發電機發電或直接提供轉動動力，因此即便小規模提升蒸汽管網的能源供應效率亦可產生龐大的經濟效益。

本計畫即針對石化製程工廠的蒸汽管網，進行深入分析，一方面提升石化製程工廠在複雜的操作情境之中，掌握蒸汽管線系統輸送狀態，並提升能源使用效益；另一方面，隨著油電價格的巨幅波動，也能透過最適化操作，平衡熱、電生產比例，對於能源使用效益也有極大助益。下圖所示即為一個總長度達到6,524公尺的環狀高壓蒸氣管網，其中，有8個單元製造高壓蒸氣並輸入此管網，有11的用氣單元；因此，管網內爭氣的輸送現象相當複雜。圖示是一個操作狀況的分析，此時原負責提供108 ton/h高壓蒸氣的3號鍋爐因故須整修，若14.5%的不足蒸氣由1號鍋爐補足，則在管段32的蒸氣流量將接近零！這個分析結果對於現場工程師的正確操作有極大助益。

(5) 新興替代能源管理與工廠節能技術-2：莊東漢教授

對於國內再生能源發展，熱電材料的角色長久以來一直陷入一個迷思:熱電材料發電論大隻比不上風力發電，論效率比不上太陽能發電，然而國內風力發電產業多半迄今仍是望風興嘆，太陽電池產業更是哀鴻遍野！面對此一窘境，除了加緊克服各種再生能源技術瓶頸，大家也逐漸發現從工業節能技術角度同樣能夠有 效紓緩能源匱乏問題，例如中鋼公司過去開發成功高效率電磁鋼片，引導下游電機產業在提 升馬達效率及減少銅材用量的效益均超過20%，在解決能源問題是既直接又顯著；另一個可以考 慮的工業節能技術發展就是生產廢熱回收，針對此議題，其實過去汽電共生及空氣預熱等技術已 經被成熟應用，然而這些傳統工業廢熱回收技術均只侷限於中高溫廢熱，對於低於300℃的低溫 廢熱卻苦無適當的回收技術，而熱電技術正可以提供一個低中溫廢熱回收問題的解決之道，雖然 有些人會單純從再生能源角度質疑熱電材料的發電效率不高，但這是忽略了熱電材料發電的真正 意義是在原本被遺棄掉的工業廢熱能夠被回收成為有用的能源，而不應該單純以電廠發電去考量 其經濟效益。

工學院材料系莊東漢教授與工研院材化所長期合作投入「熱電材料與模組技術」研發，成果共同獲得2012年全球百大科技獎（2012 R & D 100），此研究主要運用精細的溫度梯度控制技術及最適化之元素掺雜，製作高品質熱電材料，且材料製程易於大量生產，具成本競爭力，另外再運用特殊的製程技術，改善材料內部之微結構、晶界及熱/電傳輸特性，進一步提升熱電材料熱電優值30%以上，此技術同樣具有可大量製造性及成本競爭性；在熱電模組技術方面，開發擴散阻障層材料及特殊低溫接合技術，提高熱電元件與電極材料的接合強度並降低熱應力，具有優越耐溫性及高可靠性，模組發電效率可達6%以上。臺大工學院除了與工研院的熱電合作研發，最近更與中鋼公司開始執行科技部開發型產學合作計畫「高可靠度熱電模組封裝技術」，未來將進一步拓展至其他金屬業、石化業、水泥業、造紙業、焚化爐、車輛及自主能源供應等廢熱回收發電應用，兼顧減廢減碳及生產節能雙重效益。