智能機械研究中心

由工學院陳文章院長領軍，以發展電動車所需電池材料及製備技術為主，本中整合台大能源中心之研究能量，包含:

1.          高效率、高容量電池材料合成與分析

2.          各式電池模擬與模型建立

3.          智慧充放電與智慧電池管理技術

4.          太陽能電池材料合成

5.          離岸風電相關風車設計與控制技術

6.          海岸工程與離岸風電設備建置與維修技術

7.          能源系統模型

8.          能源管理及系統優化

等相關技術之研究。

 

近日來由於本中心從機械智能的眼光著手，發展能源設備智能化的相關技術。從機械的角度觀察目前能源設備的發展狀況，不難發現在新能源與綠能仍然亟待開發的環境下，不可諱言的，相關綠能的研究不免大量集中於不同能源的萃取與從材料層次考慮能源轉換效率的提升。從動力機械設備的設計與機械效率提升的角度方向思考的研究相對地較未受到重視。事實上如果吾人觀察所有科技創新，幾乎都可以看到起初只是一個物理現象的發現－如光碟機從初代巨大又昂貴的類比雷射影碟所含的資料量不到幾百萬位元（MB）到今日UHD藍光碟片可儲存千億位元（100GB）。又如初代類比手機既巨大通話品質也不好，到今日手機不只是影音通話，更已經成為大家隨身所必須攜帶的裝置。這樣的演化並不是物理上的突破，而是機械設計與製造技術不斷提升的結果。

如前述的近年來學術界大量投入新能源的開發，對於相關設備的精進的投入卻鮮少看到。在颱風繁多的地區如何設計更耐天候，甚至可以在強風的環境下擷取風能的風機、如何提高風機的耐用性、提升俱主動攻角的風機可靠度，相關太陽能的製程設備如何精進，尤其是如何提高印刷製程的可行性。電池的部分雖然化學家的研究已經發展出許多有機會達成高容量電池的材料，然我們仍需要藉著化工與材料工程的研究來協助建立這些反應的穩定性與一致性，也藉此讓我們對於電池的SoH有更明確的掌握，甚至針對不同的應用情境建立更準確、有把握的available battery power。本中心智慧能源組將針對這些需求邀請相關專長教授與專家逐步發展出實際可能安裝的技術。

隨著科技與文明的進步，能源需求與日俱增，傳統發電所使用的石化燃料因日漸短缺使成本增加且易造成汙染，於是各國開始積極尋找替代能源。替代能源中，太陽能及風能等再生能源因為取之不竭，且科技的進步使成本逐步降低，逐漸普遍並穩定成長。然而太陽能及風能受天候影響甚鉅，必須加入儲能系統配合，以建置成一個不受天候影響的能量源，確保能源系統之穩定性。氫能因為具有高效率、低噪音及不受氣候影響之優勢，近年來廣受矚目，各國也大力推廣並利用於家庭、不斷電系統、及交通工具等系統供電上。本計畫考慮綠能系統的特性建構智慧綠能系統，整合各種能量源、儲能設備，針對不同負載開發最佳能源管理策略，如圖一所示，期能降低系統成本並提高系統穩定性。

圖二、智慧綠能系統

 

一個智慧綠能系統包含創能、儲能、負載特性分析、及能源管理四部分。首先，在創能方面，必須結合地區特性分析能源供應的穩定性及價格，例如表一所示，是針對中華顧問工程司建立的綠能示範屋的太陽能、風能、及氫能的成本分析，可知其最佳配置為太陽能及氫能。其次，則是儲能元件的分析，目前一般常用鋰鐵或鉛酸電池作為儲能元件，儲存日間多餘的太陽能及風能供夜間使用，或是利用產氫儲存夏天多餘能量供冬天使用；儲能設備的選用也必須考慮使用地點的特性，例如在玉山觀測站因為溫度過低，不適合使用電池儲能，所以使用氫能儲能，並在夜間用氫燃料電池發電製造熱水使用，就是一個很好的例子。第三則必須考慮負載的特性，利用家庭用電負載通常在三餐及夜間達到高峰，辦公室電力負載則以日間為主，工廠的負載隨著訂單需求而變化，所以必須搭配適合的創能及儲能元件。最後，則必須考慮系統元件進行最佳能源管理策略。例如圖二所示，即是以台灣大學機械系辦公室負載進行的系統成本及可靠度分析，其中箭頭所指處所代表最佳設計，以27組 (17.82kW)太陽能板、22組 (660Ah) 二次電池，提供保證不斷電(loss of power probability, LPSP=0) 之佳用電成本 1.4 USD/kWh。另外，亦可以使用自動化學產氫系統保證在沒有光能及風能的惡劣情況下綠能電力系統的持續穩定性。

表一、綠能示範屋的能源成本分析 [1]

 

圖三、針對辦公室負載的設計參考圖 [2]

本計畫亦同時考慮建構移動式儲能系統，以氫能電動車為例，日本 Toyota於2017年量產氫能電動車Mirai [3]，目前中國大陸引進豐田技術，並預計於2025年前興建 200 座加氫站，屆時氫能車就可以遍行中國。以此為基礎，可以移動式電力站方式補足各地臨時性短缺能源，亦可視需求架設臨時指揮中心。雖然目前氫氣價格仍貴、不利氫能發展，但將來可以使用便宜的化學品進行化學產氫、以及利用工廠副產品氫氣，未來氫氣價格必定隨著燃料電池普及而大幅下降，讓氫能更具發展性及競爭力，所以本計畫的執行可以讓台灣搶在潮流之前建立特有的技術。

智慧綠能的發展方向已成為國際潮流，目前政府投注大量預算支持開發再生能源，智慧綠能系統也必將獲得政府的政策及經濟上的支持，我們的研究成果將給政府的決策帶來可靠的理論依據和實驗數據及分析，協助智慧綠能系統的發展。