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能源研究中心

能源研究中心


陳文章主任 
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化學工程學系教授

美國羅徹斯特大學博士

電子郵件:chenwc@ntu.edu.tw

 


  本研究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。重要研究方向包含(1) 下世代大面積高效能軟性太陽能電池開發以兼具軟性且高能量轉換效率之有機或混成半導體材料設計出發,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。


1.研究構想

  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993328 MW成長至1149952 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。

  本研究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,將以台大工學院、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,基地各研究方向關係如圖一所示。

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圖一、綠色能源研究基地計畫執行示意圖。 

 

2-1. 研究計畫之背景

     太陽能及風能為我國再生能源之最重要的發展項目,可減少對於火力與核能發電的依賴,以及降低對環境之汙染,因此其技術開發與管理上皆是迫切需要解決的課題。

  對太陽光電而言,雖然目前我國太陽能產量已於全球光電產業中占有一席之地,然而矽晶太陽能模組商業化成本太高,而貴金屬化合物薄膜型產品含有毒金屬易造成環境污染,因此新一代的有機及混成太陽能電池已然成為主要發展方向;新一代太陽能電池包含染料敏化光驅動電池、高分子及鈣鈦礦太陽能電池,其單一薄層元件光電轉換效能已分別達到141121 %的商業化門檻,特別是在低照度弱光產品應用,且可採用低耗能的溼式roll-to-roll生產方式,與現有穿戴式電子或是工業產業有效結合,大幅度地提升其穿戴設備產品應用。

  而台灣離岸風能蘊含豐富約48,000 MW,因此風力發電已被我國列為重要之綠色能源,擬於2030年將完成陸域風機450組共1,200 MW,離岸風機600組共3,000 MW風能運作。目前風能之研究主要以離岸風電朝大型化為方向發展,由5 MW機組朝7 MW10 MW發展,而另一方面由固定式機組朝水深50 m以上之浮動式機組發展,而在東岸海域則有巨大能量的黑潮流經,被視為極具發展洋流發電的潛力,保守估計至少有數個GW的開發潛能,然而其中衍生許多工程與科學問題,以及輔導國內風能產業發展具國際競爭力之技術急須進一步解決。

  在節能管理上,如何有效地使用這些替代能源及減少基載能源的需求為重要研究方向,另外將新興替代能量轉換裝置,進行系統性應用及監測,並結合地理資訊以達到節能成效,為新興能源系統整合的關鍵,若能提升新興能源在工廠使用與供應效率,將極有助於替代能源之推行。

 

2-2. 研究計畫之目的

     本研究基地擬結合前瞻性替代能源開發,如軟性太陽能材料與浮動式離岸風能及海洋能發電機組等技術開發,並與節能管理系統結合,以開發永續經營之能源技術,來因應我國未來的能源政策。為達到此目的,預計以下列四個方向著手:(1)大面積高效能軟性太陽能電池開發:將以兼具軟性且高能量轉換效率之有機或鈣鈦礦材料設計出發,研發具有高效率之可拉伸太陽能電池,並且搭配roll-to-roll製程來製造大面積太陽能電池,以提供穿載式電能系統、低照度的室內節能建材、以及日常人體健康監控產品之自主電能供應。(2)前瞻離岸風能及海洋能發電機組開發:將專注於深水之浮動式離岸風電機組,以工科海洋系之實驗水槽為基礎,結合風洞之建置,發展浮動式離岸風電機組之試驗平台。而海洋能之研究包含浮游式洋流發電渦輪機組系統設計與性能分析技術、深海錨碇及繫纜設計與分析技術、水槽模型試驗與分析技術、實海域先導機組系統測試與分析技術、商用示範機組設計及示範電廠規劃和營運技術等工程技術。(3)新興替代能源管理與工廠節能:在替代能源監測管理系統開發上,將開發前瞻熱電材料,進行廢熱回收再利用,並進一步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,整合為可傳輸監測資訊的模組。(4)能源科技國際學程: 本校全球變遷中心現已開設能源科技學程,未來將發展為英語教學之國際能源科技碩博士學程,以培育高階國際人才,並與國外頂尖科學研究中心與國內外企業產學合作,提升國際競爭力與創造國內新興能源工業技術。

 

2-3. 研究計畫之學術重要性

     現今我國能源政策將逐年增加再生能源利用比重,因此需要更有效的獲取替代能源,並結合有效節能管理,以符合綠色替代能源之需求。當前開發之有機及混成高效率太陽能電池,其材料彈性乃至拉伸特性仍有相當大限制,且元件中各層界面問題相對複雜,難以整合於下一世代商用電子產品,本研究將設計新穎材料系統,並結合製程條件與參數來對元件作深入機制探討,以利於與商用產品之整合及應用。

     在風能科技開發方面,國內產業界對離岸型風力發電機組之引入仍處於起步階段,雖已開始有產學研投入風力發電機之研究,但大都是局部性之研究,對風機系統整合更急需建立,中鋼從國外技轉離岸風機組技術,因此本計畫將可協助中鋼更迅速建立自有設計分析技術,並將配合台電離岸風電示範風場之開發,成為國內建立離岸風機國產化技術之火車頭。此外,由於洋流發電目前適用於大水深且符合經濟效益的商轉機組系統尚未完成,尚有待各項創新前瞻技術的研發驗證。在節能管理上,如何利用裝置蒐集替代能源及整合並管理能量裝置,並結合地理資訊或相關的技術工具,以增加未來替代能源的使用效率及減少基載能源的需求。

 

2-4. 預期在研究領域的創新及國際競爭力

     在太陽能研究之創新在於設計嶄新有機及混成半導體材料系統,搭配roll-to-roll與靜電紡絲技術製程,製備可撓式甚至可拉伸式有機或鈣鈦礦大面積或智慧型織物太陽能電池系統,並應用於可攜式及穿載式電能系統、低照明之高效率節能建材、與人體健康資訊監控裝置之自主電能供應。在風能研究中,將研發離岸風電朝大型化技術,以及水深50 公尺以上之浮動式發電機組,並發展適合台灣離岸環境之創新技術。而擁有黑潮能源的台灣 在大水深洋流發電系統技術將發展大水深且符合經濟效益的浮游式洋流發電渦輪機組及其錨繫系統的設計、分析與驗證,預期與美國、日本並列成為國際洋流發電技術研發的重要基地。除了替代能源之開發,目前欠缺替代能源、地理資訊、以及系統管理的節能管理整合技術,因此本研究基地針對節能程序與永續發展之研究將可對未來國際能源統籌管理帶來新的解決方式,並兼具學術創新性。

 

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