前 言 國 科 會 工 程 處 熱 流 暨 能 源 學 門 自 民 國 79 年 成 立 以 來, 經 歷 任 召 集 人 努 力 規 劃 及 推 動 熱 流 暨 能 源 相 關 之 基 礎 和 應 用 研 究, 已 建 立 相 當 規 模 尤 其 歷 任 召 集 人 因 應 當 時 產 業 及 環

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1 熱 流 暨 能 源 學 門 重 點 研 究 方 向 回 顧 與 建 議 書 Review and Recommendation of Future Research Direction of Thermal-Fluid & Energy Program 計 劃 編 號 :NSC E MY3 國 科 會 工 程 處 熱 流 暨 能 源 學 門 中 華 民 國 九 十 九 年 十 一 月

2 前 言 國 科 會 工 程 處 熱 流 暨 能 源 學 門 自 民 國 79 年 成 立 以 來, 經 歷 任 召 集 人 努 力 規 劃 及 推 動 熱 流 暨 能 源 相 關 之 基 礎 和 應 用 研 究, 已 建 立 相 當 規 模 尤 其 歷 任 召 集 人 因 應 當 時 產 業 及 環 境 狀 況 所 規 劃 出 之 學 門 研 究 方 向, 適 時 提 供 學 門 學 者 主 要 研 究 方 向 熱 流 暨 能 源 學 門 涵 蓋 較 為 基 礎 的 熱 傳 與 流 力 與 擴 及 民 生 應 用 的 新 興 能 源 研 究 領 域, 但 研 究 的 本 質 不 外 乎 開 創 新 局 成 一 家 之 言 或 追 根 究 底 深 入 了 解 所 研 究 的 現 象 但 以 目 前 國 科 會 研 發 的 經 費 有 限, 因 此 在 經 費 的 補 助 上 以 前 者 較 佔 優 勢 但 熱 傳 與 流 力 已 歷 經 長 時 間 的 研 究, 要 開 創 新 局 談 何 容 易, 國 內 又 缺 乏 經 費 支 持 具 規 模 的 團 隊 進 行 長 時 間 的 研 究, 所 得 的 研 究 不 易 有 突 出 的 成 果 因 此, 較 為 可 行 的 研 發 方 向, 只 有 進 行 跨 領 域 或 跨 學 科 的 整 合 研 究, 在 此 次 的 規 劃 書 中, 將 以 此 為 主 軸 進 行 研 究 方 向 的 規 劃 今 年 我 們 依 據 熱 流 及 能 源 的 最 新 發 展, 邀 請 專 家 學 者 也 做 了 這 些 規 劃 工 作, 分 為 熱 流 及 能 源 兩 大 主 題 熱 流 專 題 方 面 有 : 微 奈 米 流 體 力 學 生 醫 流 體 力 學 生 物 熱 流 及 最 小 熵 增 原 理 為 基 礎 的 熱 力 系 統 設 計 等 項 目 能 源 方 面 則 有 : 氫 能 風 力 發 電 太 陽 能 太 陽 電 池 及 固 態 照 明 等 項 目 但 學 門 的 重 點 研 究 方 向 並 不 僅 限 於 規 劃 書 中 的 內 容, 任 何 有 創 意 對 社 會 與 環 境 有 用 的 研 究, 學 門 都 會 積 極 支 持 此 項 規 劃 在 規 劃 委 員 花 費 無 數 心 力 及 排 除 萬 難 才 順 利 完 成, 希 望 能 夠 達 到 拋 磚 引 玉 之 功 效, 在 此 非 常 感 謝 參 與 規 劃 的 諸 位 委 員 的 鼎 力 支 持, 也 期 待 以 此 規 劃 書, 與 學 門 內 諸 學 兄 共 勉 之 學 門 召 集 人 : 陳 炳 煇

3 目 錄 頁 次 前 言 壹 熱 流 專 題 3 第 一 章 微 奈 米 流 體 力 學 4 第 二 章 生 醫 流 體 力 學 23 第 三 章 生 物 熱 流 34 第 四 章 最 小 熵 增 原 理 為 基 礎 的 熱 力 系 統 設 計 42 貳 能 源 專 題 51 第 五 章 氫 能 52 第 六 章 風 力 發 電 71 第 七 章 太 陽 能 82 第 八 章 太 陽 電 池 93 第 九 章 固 態 照 明 98

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5 國 家 科 學 委 員 會 熱 流 暨 能 源 學 門 研 究 領 域 重 點 規 劃 壹 熱 流 專 題 第 一 章 微 奈 米 流 體 力 學 研 究 領 域 第 二 章 生 醫 流 體 力 學 研 究 領 域 第 三 章 生 物 熱 流 - 冷 凍 保 存 研 究 領 域 第 四 章 以 最 小 熵 增 原 理 為 基 礎 的 熱 力 系 統 設 計 研 究 領 域 3

6 第 一 章 微 奈 米 流 體 力 學 研 究 領 域 研 究 重 點 規 劃 內 容 規 劃 小 組 召 集 人 : 楊 瑞 珍 ( 成 功 大 學 工 程 科 學 系 ) 規 劃 小 組 委 員 : 張 志 彰 ( 成 功 大 學 工 程 科 學 系 ) 4

7 一 前 言 1959 年, 美 國 物 理 學 家 暨 諾 貝 爾 物 理 學 獎 (1965 年 ) 得 主 Richard Feynman 在 美 國 物 理 學 會 年 會 一 場 講 題 為 There's Plenty of Room at the Bottom 的 著 名 演 講, 促 使 了 微 奈 米 科 技 (top-down nanotechnology) 的 發 展, 更 掀 起 了 高 科 技 產 業 的 革 命 至 90 年 代 初 期, 順 著 微 機 電 系 統 (MEMS) 的 發 展 潮 流,Manz 教 授 等 人 提 出 以 流 體 為 介 質 傳 輸 方 式 的 微 型 全 分 析 系 統 (μtas)( 或 實 驗 室 晶 片 ) 突 破 性 概 念 後 [1], 促 使 生 醫 及 生 化 檢 測 技 術 的 發 展 邁 入 了 新 紀 元, 也 使 得 微 尺 度 下 流 體 及 粒 子 ( 細 胞 生 物 分 子 ) 的 傳 輸 操 控 問 題 成 為 科 學 與 工 程 界 備 受 矚 目 的 研 究 領 域, 稱 之 為 微 流 體 學 (microfluidics), 其 為 一 門 跨 領 域 研 究 的 學 問, 包 含 生 物 物 理 化 學 化 工 材 料 電 機 及 機 械 等 領 域 出 身 的 學 者 皆 紛 紛 投 入 於 其 中, 世 界 上 頂 尖 著 名 大 學 必 定 有 微 流 體 相 關 著 名 研 究 學 者 及 團 隊, 如 哈 佛 大 學 George Whitesides 教 授 的 研 究 團 隊 由 於 90 年 代 亦 是 微 機 電 製 程 技 術 發 展 的 成 熟 時 期, 如 Whitesides 研 究 團 隊 所 開 發 的 快 速 且 簡 易 之 軟 式 微 影 製 程 (soft lithography), 也 因 此 加 速 了 微 流 體 技 術 的 發 展,2001 年 美 國 麻 省 理 工 學 院 (MIT) 的 Technology Review 更 將 加 州 理 工 學 院 教 授 Stephen Quake 教 授 ( 現 任 教 於 史 丹 佛 大 學 ) 所 闡 述 的 microfluidics 選 為 十 大 未 來 改 變 世 界 的 科 技 (Ten Emerging Technologies That Will Change the World) 之 一 ( 可 見 其 對 於 人 類 未 來 生 活 改 變 有 著 重 要 的 影 響, 近 年 來 國 科 會 機 械 熱 流 學 門 亦 將 微 流 體 納 為 重 點 研 究 規 劃 項 目 之 ㄧ 微 流 體 在 近 二 十 年 的 發 展 期 間, 與 其 相 輔 相 成 之 次 領 域 亦 逐 漸 衍 生 興 起, 如 在 2000 年 代 初 期 興 起 了 所 謂 的 奈 米 流 體 學 (nanofluidics) [2] 及 光 流 體 學 (optofluidics) [3] 的 研 究, 此 處 奈 米 流 體 學 泛 指 流 體 及 生 物 分 子 於 奈 米 尺 度 空 間 下 ( 約 100nm 以 下 ) 傳 輸 的 研 究 議 題, 其 有 冸 於 奈 米 流 體 (nanofluid) 所 指 的 含 有 奈 米 粒 子 的 流 體, 而 光 流 體 學 則 泛 指 光 操 控 流 體 粒 子 及 生 物 分 子, 或 者 流 體 及 粒 子 操 控 光 的 研 究 議 題, 其 中 貝 爾 實 驗 室 John Rogers 博 士 ( 現 任 職 伊 冺 諾 大 學 ) 提 出 之 創 新 性 tunable microfluidic optical fiber 的 概 念 也 在 2004 年 同 時 被 美 國 麻 省 理 工 學 院 的 MIT Technology Review 選 為 十 大 未 來 改 變 世 界 的 科 技 之 一 ( 微 流 體 學 奈 米 流 體 學 及 光 流 體 學 三 者 之 間 可 能 是 個 冸 獨 立 或 有 關 聯 性, 如 圖 1(a) 所 示, 其 各 種 結 合 方 式 皆 有 其 功 能 性 及 目 標 性, 但 整 體 最 大 發 展 目 標 仍 是 微 流 體 生 醫 全 分 析 系 統 另 外,2008 年 哈 佛 大 學 Whitesides 研 究 團 隊 提 出 之 具 創 新 且 衝 擊 性 之 微 流 體 詴 紙 式 檢 測 分 析 (microfluidic paper-based analytical devices, μpads) [4] 概 念 亦 將 是 未 來 國 內 研 究 發 展 重 點, 其 具 有 方 便 操 作 簡 易 便 宜 且 可 拋 棄 等 優 點, 可 使 第 三 世 界 發 展 中 及 未 開 發 國 家 或 落 後 地 區 的 人 亦 可 享 有 健 康 安 全 照 護 (point-of-care) 的 服 務, 以 降 低 死 亡 率, 因 此 此 技 術 極 具 衝 擊 性,2009 年 美 國 麻 5

8 省 理 工 學 院 (MIT) 的 Technology Review 也 將 paper diagnostics 選 為 十 大 未 來 改 變 世 界 的 科 技 之 一 ( 年 至 2009 年 期 間, 根 據 ISI Web of Knowledge 所 收 錄 論 文, 每 年 微 流 體 及 奈 米 流 體 (nanofluidics) 相 關 論 文 的 發 表 數 量, 如 圖 1(b) 所 示, 微 流 體 相 關 論 文 在 2000 年 後 數 量 成 長 幅 度 相 當 驚 人, 從 2000 年 100 篇 左 右 大 幅 成 長 至 2009 年 2500 篇 左 右, 而 零 星 幾 篇 奈 米 流 體 相 關 論 文 的 發 表 則 在 2000 年 前 後 出 現, 由 於 其 屬 於 次 領 域, 論 文 發 表 數 量 並 無 法 與 微 流 體 相 比 擬, 但 其 成 長 幅 度 並 不 可 小 覷, 直 至 2009 年 亦 有 每 年 200 篇 左 右 的 量 同 樣 地, 從 ISI Web of Knowledge 資 料 庫 索 引, 查 詢 optofluidic 字 眼, 可 發 現 光 流 體 相 關 論 文 的 發 表 量 亦 是 逐 年 快 速 成 長, 至 今 其 每 年 論 文 發 表 數 量 更 甚 奈 米 流 體 綜 合 上 述, 奈 米 流 體 學 (nanofluidics) 光 流 體 學 (optofluidics) 及 微 流 體 詴 紙 式 診 斷 學 (microfluidic paper-based diagnostics) 領 域 在 未 來 仍 具 研 究 發 展 潛 力, 因 此 熱 流 學 門 未 來 亦 將 三 者 之 基 礎 學 理 與 應 用 研 究 同 時 納 入 微 流 體 研 究 領 域 的 重 點 發 展 項 目 關 於 微 流 體 學 奈 米 流 體 學 及 光 流 體 學 之 發 展 介 紹, 分 冸 概 述 如 下 (a) (b) Microfluidics Digital Microfluidics Paper Microfluidics Nanofluidics Optofluidics 圖 1 (a) 微 流 體 領 域 衍 生 的 相 輔 相 成 研 究 議 題,(b) ISI Web of Knowledge 收 錄 微 流 體 (microfluidics) 與 奈 米 流 體 (nanofluidics) 相 關 論 文 數 目 之 成 長 趨 勢 圖 [5] 6

9 二 微 流 體 (Microfluidics) 規 劃 內 容 一 般 而 言, 微 流 體 研 究 領 域 內 容 就 是 將 傳 統 大 型 實 驗 室 的 生 醫 或 生 化 檢 測 儀 設 備 冺 用 微 機 電 製 程 技 術 微 型 化, 如 微 管 道 (microchannels) 微 閥 門 (valves) 微 泵 浦 (pumps) 微 混 合 器 (mixers) 微 分 離 器 (separators) 微 分 配 器 (dispensers) 微 反 應 器 (reactors) 微 濃 縮 器 (concentrators) 微 加 熱 器 (heaters) 微 感 測 器 (sensors) 或 偵 測 器 (detectors) 等 分 析 設 備 常 用 元 件, 將 這 些 微 元 件 加 以 組 合 配 置, 則 將 大 型 分 析 設 備 微 晶 片 化 針 對 微 晶 片 化 的 目 標, 微 流 體 研 究 社 群, 大 致 可 分 為 基 礎 學 理 性 探 討 目 標 功 能 性 應 用 研 究 及 微 元 件 製 造 技 術 開 發, 三 者 之 研 究 是 相 輔 相 成 的, 缺 一 不 可 基 礎 學 理 社 群 重 視 微 尺 度 流 體 物 理 傳 輸 現 象 或 新 物 理 現 象 的 研 究, 並 提 供 有 價 值 的 資 訊 給 設 計 端 開 發 出 具 創 意 之 新 型 微 流 體 元 件 應 用 研 究 社 群 重 視 創 意 性 功 能 性 及 系 統 整 合 性, 依 晶 片 應 具 有 之 功 能 開 發 設 計 出 新 型 微 流 體 分 析 檢 測 系 統, 如 微 型 聚 合 酶 連 鎖 反 應 (PCR) 系 統 微 型 電 泳 晶 片 微 型 細 胞 培 養 晶 片 微 型 流 式 細 胞 儀 藥 物 篩 選 晶 片 微 型 DNA/RNA 檢 測 晶 片 蛋 白 質 免 疫 分 析 檢 測 晶 片 及 微 晶 片 電 噴 灑 離 子 (electrospray ionization, ESI) 質 譜 分 析 等 而 微 製 造 技 術 研 究 社 群 則 重 視 便 宜 快 速 且 簡 便 性 之 微 製 程 技 術 開 發, 如 物 理 性 或 化 學 性 的 玻 璃 晶 片 製 程 高 分 子 材 料 晶 片 製 程 等 基 礎 學 理 性 的 探 討 可 分 為 流 體 與 粒 子 ( 細 胞 生 物 分 子 ) 的 微 尺 度 傳 輸 操 控 流 體 操 控 技 術 有 機 械 式 電 式 磁 式 化 學 式 及 光 學 式 等, 依 驅 動 力 源 大 致 可 分 為 [6]: (1). 壓 力 梯 度, 例 如 常 見 的 機 械 式 泵 浦 驅 動 之 流 動 (2). 毛 細 效 應 (capillary effect) 細 分 為 表 面 張 力 ( 毛 細 壓 力 差 ) 及 表 面 張 力 梯 度 靠 毛 細 壓 力 差 驅 動 流 體 的 方 式 有 藉 由 熱 的 方 式 及 電 的 方 式 ( 電 毛 細 或 介 電 潤 濕 ), 而 表 面 張 力 梯 度 驅 動 方 式 則 有 靠 化 學 的 方 式 熱 的 方 式 電 的 方 式 及 光 學 的 方 式 製 造 表 面 張 力 梯 度 於 基 材 上, 如 以 溫 度 或 界 面 活 性 劑 (surfactant) 濃 度 梯 度 所 產 生 的 Marangoni 效 應 (3). 電 液 動 效 應 (electrohydrodynamics, EHD) 則 是 冺 用 液 體 溶 液 中 電 性 質 梯 度 ( 如 電 導 率 介 電 常 數 ) 的 誘 發 與 施 加 直 流 電 場 交 互 作 用 產 生 驅 動 力 來 操 控 流 體, 此 驅 動 流 體 裝 置 稱 為 電 液 動 泵 浦 (EHD pump), 與 其 相 似 作 動 原 理 的 尚 有 所 謂 的 電 熱 效 應 (electrothermal effect) 驅 動 流 裝 置, 兩 者 之 差 冸 在 於 後 者 使 用 高 頻 交 流 電 場 產 生 焦 耳 熱 製 造 電 性 質 梯 度 而 電 液 動 的 分 支 為 界 面 電 動 效 應 (electrokinetics), 其 驅 動 力 來 自 於 固 - 液 界 面 淨 電 荷 層 ( 電 雙 層 ) 與 外 加 電 場 之 交 互 作 用 ( 庫 倫 力 ), 我 們 稱 此 流 動 方 式 為 電 滲 (electroosmosis, EO), 其 施 加 電 場 可 分 為 直 流 與 交 流 電, 傳 統 直 流 電 式 電 滲 (DC EO) 是 研 究 基 材 表 面 因 表 面 官 能 基 遇 水 解 離 產 生 之 表 面 電 荷 與 電 場 之 交 互 作 用 由 於 在 直 流 電 場 下 有 焦 耳 熱 生 成 電 極 易 產 生 氧 化 還 原 反 應 氣 泡 生 成 且 需 高 電 壓 裝 置 等 問 題, 因 此 對 交 流 電 式 電 滲 (AC EO) 的 研 究 興 起, 其 與 直 流 電 式 電 滲 的 差 冸 在 於 表 面 電 荷 是 藉 由 外 加 電 場 誘 發 於 電 極 表 面, 電 極 表 面 電 荷 之 形 成 可 分 為 電 容 充 電 式 (capacitive 7

10 charging) 及 法 拉 第 充 電 式 (Faradic charging), 產 生 流 體 速 度 與 施 加 電 壓 ( 場 ) 成 非 線 性 關 係, 又 稱 非 線 性 電 動 效 應 (nonlinear electrokinetics), 其 具 有 低 電 壓 流 速 快 不 易 起 氧 化 還 原 反 應 不 易 生 成 氣 泡 及 焦 耳 熱 等 優 點, 使 得 其 成 為 近 年 來 電 動 效 應 基 礎 學 理 探 討 的 熱 門 研 究 議 題 另 外, 電 噴 灑 (electrospray) 問 題 的 基 礎 學 理 探 討 也 很 重 要, 其 在 傳 統 電 液 動 ( 流 體 ) 力 學 領 域 亦 是 非 常 熱 門 的 議 題, 而 泰 勒 錐 (Taylor cone) 或 錐 噴 流 模 態 (cone-jet mode) 的 存 在 條 件 對 於 應 用 端 是 非 常 重 要 的, 如 微 電 噴 灑 離 子 化 晶 片 質 譜 分 析 微 奈 米 粒 子 的 製 造 微 奈 米 粒 子 ( 藥 物 ) 的 包 覆 (encapsulation) 及 奈 米 纖 維 的 電 紡 絲 (nanofiber electrospinning) 等 應 用 (4). 其 他 方 式 尚 有 使 用 勞 倫 茲 力 (Lorentz force) 的 磁 液 動 驅 動 (magnetohydrodynamic, MHD) 磁 性 流 體 (ferrofluid) 的 磁 場 驅 動 離 心 力 式 的 (centrifugal force) 旋 轉 驅 動, 以 及 藉 由 聲 場 的 聲 流 驅 動 (acoustic streaming) 方 式 (5). 表 面 改 質 及 親 疏 水 性 處 理 的 研 究 議 題 一 直 也 是 備 受 矚 目 的, 尤 其 是 超 疏 水 性 (superhydrophobic) 奈 米 表 面 結 構 (lotus effect) 的 探 討, 以 及 表 面 速 度 滑 移 (hydrodynamic slippage) 的 研 究 在 多 相 或 兩 相 流 微 流 體 (two phase microfluidics) 方 面, 液 滴 式 微 流 體 操 控 帄 台 為 研 究 發 展 重 點, 其 包 含 微 液 滴 或 氣 泡 的 生 成 結 合 儲 存 傳 輸 操 控 等, 在 過 去 幾 年 有 諸 多 的 探 討 微 液 滴 生 成 機 制 有 用 純 流 場 剪 切 方 式 機 械 式 剪 切 方 式 介 電 泳 或 介 電 潤 濕 剪 切 方 式 等, 其 應 用 研 究 有 微 乳 化 微 粒 子 合 成 製 造 微 包 覆 細 胞 包 覆 及 藥 物 包 覆 等 微 液 滴 式 微 流 體 檢 測 帄 台 的 研 究 之 所 以 受 歡 迎, 主 要 是 因 為 微 液 滴 可 視 為 一 分 析 樣 品 載 具, 同 時 可 當 作 微 混 合 器 微 反 應 器 使 用, 且 低 流 體 消 散 (hydrodynamic dispersion) 效 應, 有 冺 於 偵 測 的 靈 敏 度 此 外, 微 液 滴 的 操 控 亦 可 數 位 化, 尤 其 近 年 介 電 潤 濕 方 式 (electrowetting-on-dielectrics, EWOD) 操 控 技 術 的 發 展 成 熟, 使 得 數 位 式 微 流 體 系 統 (digital microfluidics) 成 為 微 流 體 領 域 一 大 發 展 趨 勢 [7] 微 液 滴 或 氣 泡 尚 有 光 學 方 面 的 應 用, 我 們 將 其 歸 類 於 光 流 體 學 研 究 領 域 在 微 粒 子 細 胞 生 化 分 子 ( 如 蛋 白 質 胺 基 酸 DNA 等 ) 的 操 控 傳 輸 的 探 討 方 面, 包 含 分 離 (separation) 收 集 (sorting) 及 生 物 巨 分 子 (DNA) 拉 伸 (stretching) 的 操 控 機 制, 較 為 廣 泛 的 方 式 有 藉 由 流 場 設 計 的 操 控 方 式 電 場 操 控 方 式 的 電 泳 (electrophoresis, EP) 及 介 電 泳 (dielectrophoresis, DEP) 磁 場 操 控 方 式 ( 微 磁 珠 黏 附 特 定 生 物 分 子 ) 及 光 學 操 控 方 式 等, 關 於 光 學 式 操 控 的 議 題, 我 們 將 其 歸 類 於 光 流 體 (optofluidics) 領 域 生 化 分 子 的 分 離 及 收 集 常 使 用 微 晶 片 電 泳 方 式, 其 包 含 了 許 多 類 型, 如 毛 細 管 電 泳 法 區 域 電 泳 法 (zone EP) 等 速 電 泳 法 (isotacophoresis, ITP) 電 場 放 大 正 負 電 荷 分 析 物 分 離 堆 疊 法 (field-amplified sample stacking, FASS) 等 電 位 ( 零 電 荷 點 ) 聚 焦 電 泳 (isoelectric focusing, IEF), 其 中 等 電 位 聚 焦 電 泳 常 用 於 蛋 白 質 的 分 離 及 收 集, 此 外, 微 型 高 效 能 液 相 層 析 (high performance liquid chromatography, HPLC) 及 氣 相 層 析 (gas chromatography, GC) 技 術 亦 是 常 用 於 生 化 分 子 之 分 離 而 在 微 粒 子 及 細 胞 的 分 離 收 集 操 控 上, 首 選 方 式 為 介 電 泳 8

11 力 操 控, 因 此 其 基 礎 學 理 的 探 討 文 章 亦 非 常 多, 其 分 為 直 流 電 式 及 交 流 電 式, 在 非 均 勻 電 場 ( 具 電 場 梯 度 ) 及 懸 浮 目 標 物 可 被 誘 發 電 偶 極 (dipoles) 的 情 況 下, 將 可 產 生 介 電 泳 力, 藉 由 電 極 或 電 場 梯 度 的 設 計, 則 可 任 意 操 控 目 標 物 另 外, 在 生 物 物 理 學 上,DNA 分 子 的 研 究 是 非 常 熱 門 的, 因 此 纏 繞 型 態 DNA 分 子 的 拉 伸 方 式 在 微 流 體 領 域 亦 是 廣 泛 被 探 討, 有 藉 由 電 滲 或 壓 力 驅 動 流 場 剪 應 力 (shear stress) 拉 伸 磁 珠 磁 場 拉 伸 光 鉗 (optical tweezers) 拉 伸 等 方 式 在 微 米 尺 度 裝 置 下, 微 米 等 級 之 細 胞 或 粒 子 因 尺 寸 與 裝 置 相 當, 具 有 良 好 的 操 控 性 或 可 進 行 單 一 細 胞 操 控 及 偵 測, 而 生 物 巨 分 子 尺 寸 約 在 奈 米 等 級, 若 要 進 行 單 一 分 子 的 操 控 或 偵 測, 則 需 在 具 奈 米 尺 度 空 間 的 裝 置, 而 此 方 面 研 究 議 題 我 們 歸 類 於 奈 米 流 體 學 微 流 體 的 操 控 方 式 種 類 眾 多, 皆 具 其 學 術 研 究 價 值, 而 在 應 用 上 則 各 有 其 優 缺 點, 但 若 以 可 攜 式 微 流 體 檢 測 系 統 (portable microfluidic system) 為 發 展 導 向 而 言, 則 低 電 壓 電 式 操 控 微 流 體 帄 台 是 發 展 重 點, 如 介 電 潤 濕 數 位 式 微 流 體 帄 台 及 交 流 電 式 電 動 (AC electrokinetics) 微 流 體 帄 台, 而 數 位 式 微 流 體 其 未 來 研 究 方 向 在 於 如 何 使 微 液 滴 內 具 備 一 般 生 化 或 生 醫 檢 測 所 需 之 所 有 程 序 功 能 另 外, 模 組 化 微 流 體 或 稱 樂 高 式 微 流 體 (Lego microfluidics) 亦 是 近 年 發 展 趨 勢 之 ㄧ, 應 用 端 可 依 所 需 之 微 流 體 元 件 組 合 成 微 流 體 檢 測 帄 台 而 偵 測 方 式 的 發 展 亦 是 整 個 微 流 體 系 統 的 重 要 一 環, 其 可 分 為 光 學 感 測 式 電 性 感 測 式 電 化 學 感 測 式 等, 高 靈 敏 度 且 簡 便 的 生 物 及 生 化 感 測 方 式 的 研 究 開 發 亦 是 近 年 微 流 體 晶 片 的 發 展 重 點 在 功 能 性 應 用 研 究 方 面, 則 一 直 是 處 在 熱 門 研 究 發 展 狀 態, 其 依 生 醫 及 生 化 檢 測 所 需 之 功 能 性 設 備, 不 斷 的 創 新 開 發 出 各 種 微 型 化 高 效 能 檢 測 裝 置, 如 微 型 聚 合 酶 連 鎖 反 應 系 統 微 型 電 泳 晶 片 微 型 細 胞 培 養 晶 片 微 型 流 式 細 胞 儀 藥 物 篩 選 晶 片 微 型 DNA/RNA 檢 測 晶 片 蛋 白 質 免 疫 分 析 檢 測 晶 片 及 微 晶 片 電 噴 灑 離 子 質 譜 分 析, 但 可 拋 棄 式 商 品 化 及 普 及 性 是 其 發 展 的 目 標 及 挑 戰 除 了 生 化 或 生 醫 檢 測 之 應 用 外, 近 年 微 流 體 在 能 源 科 技 的 應 用 亦 是 發 展 方 向 之 一 [8], 發 展 重 點 在 於 微 型 燃 料 電 池, 或 稱 微 流 體 燃 料 電 池 (microfluidic fuel cell) [9], 包 含 無 交 換 膜 式 微 流 體 燃 料 電 池 (membraneless fuel cell) 微 型 直 接 甲 醇 ( 或 甲 酸 ) 燃 料 電 池 微 型 生 物 燃 料 電 池 等 研 究 議 題 而 在 微 製 造 技 術 的 開 發 方 面, 從 早 期 的 矽 晶 圓 微 製 程, 發 展 到 玻 璃 微 製 程 技 術, 以 及 高 分 子 材 料 微 製 程 技 術 ( 如 PMMA PDMS parylene 等 ), 製 程 技 術 發 展 是 以 生 產 快 速 簡 易 且 便 宜 為 目 標, 尚 需 考 慮 到 基 材 本 身 的 生 物 相 容 性 在 先 進 國 家, 有 高 科 技 技 術 發 展 微 流 體 檢 測 技 術, 但 落 後 國 家 根 本 無 法 發 展 及 使 用 此 關 乎 人 類 生 命 健 康 的 先 進 技 術 產 品, 而 為 了 使 微 流 體 檢 測 技 術 更 為 普 及 且 能 夠 推 廣 至 發 展 中 的 落 後 國 家 及 區 域, 哈 佛 大 學 Whitesides 研 究 團 隊 繼 90 年 代 開 發 出 促 使 微 流 體 迅 速 發 展 的 PDMS 製 程 技 術 後, 在 2007 年 左 右 其 研 究 團 隊 為 了 做 出 生 產 起 來 便 宜 用 起 來 簡 單 在 鄉 下 地 區 耐 用, 且 可 以 拯 救 世 界 貧 窮 地 方 成 千 上 萬 條 生 命 的 檢 測 診 斷 工 具, 特 冸 將 先 進 的 微 流 體 (microfluidics) 和 人 類 最 古 老 的 技 術 之 一 紙 (paper) 結 合 起 來, 產 生 一 種 多 用 途 用 後 即 丟 的 檢 驗 工 具, 可 用 於 檢 查 微 量 的 尿 液 或 血 液, 看 看 有 沒 有 罹 患 傳 染 病 或 者 慢 性 病, 稱 之 為 微 流 體 詴 紙 式 檢 測 裝 置 9

12 (microfluidic paper-based analytical devices) [4], 如 圖 2 所 示, 其 發 展 對 於 第 三 世 界 國 家 之 疾 病 檢 測 將 有 極 大 的 貢 獻, 也 值 得 國 內 投 入 發 展 此 簡 易 便 宜 又 方 便 的 技 術 Whitesides 教 授 為 了 推 廣 這 種 技 術, 更 在 2007 年 成 立 非 營 冺 組 織 Diagnostics for All, 為 了 就 是 要 安 全 照 護 第 三 世 界 落 後 國 家 人 民 的 健 康 圖 2 哈 佛 大 學 Whitesides 研 究 團 隊 提 出 之 以 紙 為 基 材 的 紙 診 斷 (paper diagnostics) 微 晶 片 概 念 ( 雖 然 詴 紙 診 斷 ( 例 如 驗 孕 ) 已 經 存 在, 微 流 體 詴 紙 式 檢 測 裝 置 卻 有 一 大 優 點 : 一 張 方 形 紙 就 能 執 行 許 多 反 應, 能 夠 診 斷 多 種 狀 況 此 外, 這 種 東 西 小, 驗 血 只 需 要 非 常 少 量 的 樣 本, 使 用 者 刺 一 下 手 指 頭 就 夠 了 當 每 一 口 詴 井 裝 滿 不 同 的 溶 液, 和 血 液 或 者 尿 液 中 特 定 的 分 子 起 反 應, 導 致 顏 色 發 生 變 化 而 達 診 斷 目 的 (colorimetric assays), 或 者 可 使 用 電 化 學 感 測 方 式 (electrochemical sensing) 來 診 斷 微 流 體 詴 紙 式 檢 測 裝 置, 不 需 要 像 一 般 的 微 流 體 裝 置 需 用 到 泵 浦 和 其 他 的 機 械 組 件, 而 是 靠 詴 紙 本 身 的 多 孔 性 產 生 毛 細 效 應, 使 其 成 為 世 界 上 最 便 宜 的 泵 浦, 製 造 這 種 裝 置 的 第 一 步, 是 做 一 些 很 小 的 通 道, 大 概 只 有 一 毫 米 寬 左 右 或 更 小, 引 導 液 體 樣 品 流 向 詴 井 (test well) 其 主 要 是 冺 用 親 疏 水 性 的 特 性 界 定 出 液 體 毛 細 流 動 通 道, 詴 紙 本 質 為 親 水 性, 親 疏 水 性 區 域 之 界 定 方 法 有 : 光 微 影 (photolithography) 方 式 印 表 機 列 印 (printing) 及 加 熱 方 式, 如 圖 2 所 示 前 者 把 詴 紙 浸 泡 於 感 光 光 阻 (photoresist) 溶 液, 詴 紙 吸 收 感 光 光 阻 劑 後, 紫 外 線 會 使 光 阻 劑 中 的 聚 合 物 互 連 並 使 之 硬 化, 每 當 光 打 在 上 面, 就 會 形 成 疏 水 的 長 壁, 冺 用 光 罩 或 甚 至 只 要 用 黑 色 馬 克 筆 畫 在 紙 上, 放 在 陽 光 底 下 晒, 就 能 做 出 想 要 的 通 道 和 詴 井 後 者 則 是 使 用 列 印 方 式 以 蠟 (wax) 為 墨 ( 塗 料 刻 ) 劃 界 定 出 疏 水 性 區 域, 再 以 加 熱 方 式 使 蠟 滲 入 詴 紙 內 部, 形 成 疏 水 的 長 壁 除 了 上 述 兩 種 製 作 方 式, 尚 有 其 他 10

13 製 作 通 道 和 詴 井 的 方 式 這 些 詴 紙 亦 可 做 成 三 維 的 診 斷 裝 置 [10], 方 法 是 在 兩 張 詴 紙 之 間 加 上 一 層 穿 孔 防 水 膠 帶, 一 滴 液 體 經 由 通 道 進 入 第 一 張 詴 紙 的 詴 井, 然 後 向 下 滲 透, 通 過 膠 帶 的 孔, 在 第 二 層 詴 紙 的 詴 井 中 反 應, 由 於 能 夠 執 行 更 多 的 檢 驗, 甚 至 單 一 的 樣 本 也 可 以 進 行 兩 步 驟 的 反 應, 本 來 需 要 更 複 雜 的 化 驗, 例 如 使 用 抗 體 的 方 法, 才 能 檢 測 的 一 些 疾 病, 如 瘧 疾 和 人 類 免 疫 缺 乏 病 毒 (HIV), 冺 用 這 種 裝 置 也 能 檢 測 出 來 研 究 人 員 希 望 這 種 檢 驗 能 有 更 進 步 的 版 本, 最 後 可 以 像 印 報 紙 那 樣, 用 相 同 的 印 刷 方 法, 大 量 生 產 詴 紙, 材 料 成 本 應 該 只 有 三 到 五 美 分, 這 種 價 格 將 對 運 輸 和 能 源 難 以 到 達 落 後 地 方 的 醫 療 水 準, 產 生 巨 大 的 貢 獻 和 衝 擊 11

14 三 奈 米 流 體 (Nanofluidics) 規 劃 內 容 奈 米 流 體 學 的 廣 泛 定 義 是 研 究 探 討 流 體 本 身 ( 液 體 溶 劑 / 溶 質 分 子 或 離 子 ) 和 異 質 分 子 ( 如 DNA) 在 奈 米 尺 度 ( 任 一 維 度 100 nm 以 下 ) 空 間 下 的 傳 輸 現 象, 以 及 其 可 能 之 衍 生 應 用 而 事 實 上, 奈 米 流 體 學 並 非 是 全 新 的 研 究 領 域, 以 往 此 領 域 的 研 究 隱 含 在 許 多 學 科 的 研 究 上, 如 細 胞 膜 生 理 學 膠 體 科 學 薄 膜 科 學, 算 是 一 門 隱 性 科 學 研 究, 而 隨 著 近 年 微 流 體 及 奈 米 科 技 之 發 展, 使 得 奈 米 尺 度 傳 輸 的 研 究, 擁 有 自 己 專 有 的 研 究 名 稱 奈 米 流 體 學 或 者 稱 新 奈 米 流 體 學 (new nanofluidics), 而 成 為 一 門 顯 性 科 學 新 奈 米 流 體 學 之 所 以 可 以 成 為 一 門 獨 立 新 學 名, 是 因 為 一 些 新 科 技 技 術 及 工 具 的 發 明, 如 原 子 力 顯 微 鏡 (AFM) 掃 描 穿 隧 式 顯 微 鏡 (STM) 電 子 束 (electron beam) 及 離 子 束 顯 影 技 術 (ion beam lithograph), 以 及 近 期 發 展 之 微 奈 米 製 造 技 術 (top down 或 bottom up 的 技 術 ), 使 得 其 擁 有 設 計 佳 規 則 性 佳 及 控 制 性 佳 之 奈 米 通 道 可 供 研 究 使 用 及 方 便 物 理 分 析, 並 可 精 準 地 建 立 相 關 之 傳 輸 物 理 模 型, 此 可 突 破 以 往 對 奈 米 流 體 學 研 究 的 困 難 處, 而 我 們 可 藉 由 這 些 新 發 展 之 工 具 在 此 新 研 究 領 域 獲 得 及 期 望 什 麼 新 事 物, 是 現 在 及 未 來 的 研 究 重 點 [11] 新 奈 米 流 體 學 一 般 分 為 規 則 性 奈 米 通 道 (nanochannel) [12] 及 奈 米 碳 管 (carbon nanotube) [13] 的 研 究 在 流 體 物 理 的 研 究 方 面, 研 究 學 者 對 奈 米 尺 度 流 體 ( 液 體 ) 連 續 體 假 設 的 適 用 性 問 題 是 極 有 興 趣 的, 至 目 前 為 止 在 分 子 動 力 學 (MD) 的 模 擬 及 表 面 力 量 儀 (SFA) 的 實 驗 上, 發 現 在 1-2nm 的 空 間 下 連 續 體 假 設 的 Navier-Stokes 方 程 似 乎 仍 可 適 用 [14], 研 究 學 者 慶 幸 的 是 古 老 的 方 程 適 用 性 如 此 廣 泛, 但 也 代 表 著 未 來 需 持 續 進 行 次 奈 米 流 體 實 驗 ( 小 於 1nm) 的 研 究, 以 探 討 Navier-Stokes 方 程 的 不 適 用 處, 研 究 學 者 未 來 則 需 要 克 服 次 奈 米 流 體 實 驗 的 困 難 度, 無 論 是 實 驗 通 道 的 製 作 或 是 量 測 技 術 皆 是 極 具 挑 戰 性 而 表 面 速 度 滑 移 (slippage) 問 題, 因 在 奈 米 尺 度 下 變 的 非 常 顯 著 且 成 為 重 要 的 研 究, 依 造 成 滑 移 的 因 素 可 分 為 本 質 滑 移 (intrinsic or molecular slip) 及 顯 現 滑 移 (apparent slip) 本 質 滑 移 與 分 子 間 作 用 力 有 關, 依 理 論 模 擬 及 實 驗 可 找 出 接 觸 角 ( 疏 水 性 ) 與 滑 移 長 度 之 間 的 關 係, 發 現 本 質 滑 移 長 度 約 在 30nm 範 圍 內 [14] 顯 現 滑 移 則 可 能 與 表 面 粗 糙 度 ( 疏 水 性 奈 米 結 構 ) 氣 體 層 或 奈 米 泡 的 存 在 有 關, 超 疏 水 奈 米 結 構 表 面 的 滑 移 長 度 可 達 數 百 奈 米 至 微 米 等 級 [15] 流 體 在 奈 米 碳 管 叢 內 的 流 動, 依 線 性 Navier 的 滑 移 關 係 估 測, 更 可 達 毫 米 等 級 [16] 另 外, 親 水 性 奈 米 管 道 的 毛 細 填 充 (capillary filling) 現 象 研 究 則 發 現 在 數 十 奈 米 以 下 傳 統 Washburn 方 程 似 乎 無 法 準 確 描 述, 可 能 影 響 因 素 包 含 電 黏 滯 效 應 (electroviscous effect) 汽 泡 生 成 蒸 發 效 應 固 液 界 面 處 液 體 分 子 固 化 等, 毛 細 填 充 過 程 當 中 也 會 因 奈 米 等 級 管 道 尺 寸 的 關 係 使 得 管 道 內 產 生 極 大 負 壓 力 (negative pressure), 此 可 能 使 軟 性 高 分 子 材 料 管 道 發 生 變 形 [17] 人 體 腎 臟 生 物 膜 或 細 胞 膜 的 生 理 傳 輸 機 制 亦 是 奈 米 流 體 學 領 域 研 究 學 者 未 來 學 習 效 仿 的 對 象, 如 細 胞 膜 通 道 的 傳 輸 機 制,2003 年 諾 貝 爾 化 學 獎 則 頒 給 Agre 及 MacKinnon 教 授 以 分 冸 表 彰 其 對 水 通 道 蛋 白 (aquaporins, AQP) 及 鉀 離 子 通 道 12

15 (potassium channel) 的 傳 輸 機 制 研 究 的 貢 獻, 但 其 生 理 傳 輸 機 制 要 若 要 以 工 程 方 式 達 成, 未 來 仍 具 有 非 常 大 的 挑 戰 性 水 通 道 的 尺 寸 約 僅 允 許 一 個 水 分 子 的 通 過, 通 道 內 含 有 一 帶 正 電 區 域, 使 得 水 分 子 與 氫 離 子 形 成 的 水 和 質 子 無 法 通 過, 其 水 通 量 比 傳 統 流 體 力 學 預 測 值 大 上 千 倍 以 上, 流 體 物 理 學 家 則 推 測 此 與 水 通 道 之 疏 水 性 有 關 係 另 外, 鉀 離 子 通 道 由 四 條 膜 通 道 蛋 白 構 成, 前 端 處 的 濾 嘴 (ion filter) 邊 上 具 有 四 顆 氧 原 子 的 特 殊 排 列 結 構, 而 恰 巧 可 控 制 允 許 鉀 離 子 通 過, 但 同 樣 帶 正 電 荷 而 尺 寸 較 小 之 鈉 離 子 則 無 法 輕 易 通 過, 使 得 鉀 離 子 通 量 比 鈉 離 子 大 上 好 幾 萬 倍, 而 離 子 通 道 後 端 的 閘 門 則 依 膜 電 位 訊 號 進 行 開 或 關 至 目 前 為 止, 這 些 膜 通 道 的 生 理 傳 輸 機 制 在 工 程 奈 米 流 體 學 領 域 仍 是 極 具 挑 戰 性 的 研 究 議 題, 也 是 未 來 有 趣 的 研 究 項 目 其 中 仿 效 生 物 膜 電 位 響 應 的 奈 米 孔 開 關 已 有 開 端 的 類 似 研 究, 目 標 將 是 製 作 電 位 響 應 之 人 工 奈 米 孔 閘 門 (engineered voltage-responsive nanopores)[18] 帶 表 面 電 荷 的 通 道, 為 了 滿 足 電 中 性, 形 成 非 電 中 性 的 電 雙 層 於 壁 面 附 近 ( 厚 度 約 nm), 在 微 米 尺 度 管 道 著 重 的 是 與 其 相 關 的 電 滲 效 應, 用 於 操 控 流 體, 而 在 奈 米 尺 度 的 通 道, 因 電 雙 層 厚 度 與 通 道 尺 寸 相 當, 將 使 管 道 內 完 全 呈 現 非 電 中 性, 當 電 雙 層 發 生 強 烈 重 疊 時, 管 道 內 將 只 允 許 與 表 面 電 荷 異 號 的 離 子 存 在 而 使 介 質 溶 液 呈 現 單 一 極 性 (unipolar solution), 形 成 理 想 的 離 子 選 擇 性 通 道 (ion-selective channel), 將 可 用 於 操 控 離 子 或 帶 電 分 子 的 傳 輸 藉 由 奈 米 通 道 電 雙 層 重 疊 的 特 性, 將 有 許 多 應 用 之 處 例 如 其 可 應 用 於 控 制 帶 電 性 分 子 或 離 子 的 通 過, 如 帶 有 不 同 電 荷 或 電 荷 量 之 蛋 白 質 在 具 表 面 電 荷 的 奈 米 通 道 將 擁 有 不 同 之 通 量 或 通 透 率 (permeability), 與 管 道 表 面 電 荷 同 性 之 分 子 或 離 子 將 難 以 通 過 而 排 斥 在 奈 米 管 道 外, 異 性 之 分 子 或 離 子 的 通 透 率 則 提 升, 此 稱 為 排 除 - 聚 集 效 應 (exclusion-enrichment effect, EEE) [19] 因 電 雙 層 在 奈 米 通 道 較 顯 著 的 關 係, 電 滲 流 的 速 度 呈 現 非 均 勻 的 拋 物 線 形 分 布, 以 及 分 析 物 (analyte) 的 非 均 勻 分 布, 負 電 荷 分 析 物 集 中 於 管 道 中 心 ( 負 表 面 電 荷 通 道 ), 正 電 荷 分 析 物 集 中 於 壁 面, 中 性 物 質 假 設 均 勻 分 布 ( 無 壁 面 吸 附 現 象 ), 可 能 使 得 負 電 荷 分 析 物 之 有 效 速 度 最 快 再 者 中 性 分 析 物, 而 正 電 荷 分 析 物 最 慢, 此 電 泳 分 離 現 象 與 微 米 管 道 的 電 泳 有 所 差 異, 此 分 離 技 術 可 應 用 於 不 同 價 數 之 離 子 分 離, 稱 為 基 於 離 子 價 數 之 電 動 式 分 離 術 (electrokinetic separation by ion valence, EKSIV)[20] 由 於 電 雙 層 重 疊 關 係, 管 道 內 離 子 或 生 物 分 子 的 傳 輸 將 由 表 面 電 荷 來 主 導, 即 表 面 電 荷 主 導 了 電 的 傳 導 性 (surface conductance)[21], 因 此 對 於 奈 米 管 道 內 離 子 及 生 物 分 子 的 傳 輸 控 制 將 可 實 現, 也 使 得 近 年 奈 米 流 體 式 電 子 元 件 (nanofluidic electronics) 研 究 議 題 的 興 起 [22] 整 流 ( 電 流 ) 用 之 奈 米 流 體 式 二 極 體 (nanofluidic diode) 約 有 三 種 類 型 [23, 24], 第 一 種 是 仿 效 三 五 族 半 導 體 二 極 體 (diode), 奈 米 管 道 若 有 表 面 電 荷 電 性 相 反 的 兩 區 段 (bipolar nanochannel, 如 SiO 2 及 Al 2 O 3 兩 種 表 面 材 料 ), 造 成 連 接 處 在 施 加 正 偏 壓 (forward bias) 時, 會 發 生 離 子 增 益 (ion enrichment) 現 象, 逆 偏 壓 (reverse bias) 時 則 會 發 生 離 子 空 乏 (ion depletion) 現 象, 如 此 一 來 即 造 成 正 逆 偏 壓 時 的 電 阻 有 所 差 異, 而 達 到 整 流 的 效 果, 其 延 伸 研 究 有 13

16 奈 米 流 體 觸 發 二 極 體 (nanofluidic diac) 奈 米 流 體 三 極 體 (nanofluidic triode) 雙 極 性 電 晶 體 (biopolar junction transistor, BJT) 等 第 二 種 為 圓 錐 狀 奈 米 通 道 (conical nanopore), 藉 由 徑 向 幾 何 尺 寸 沿 流 動 方 向 的 變 化 而 使 電 雙 層 重 疊 程 度 不 同, 當 施 予 正 / 逆 偏 壓 時 亦 可 發 生 離 子 增 益 / 空 乏 現 象 以 造 成 電 阻 有 所 差 異, 同 樣 具 整 流 效 果 第 三 種 是 使 用 兩 種 不 同 溶 液 濃 度 於 一 表 面 性 質 且 幾 何 尺 寸 均 勻 的 奈 米 通 道 兩 端, 造 成 通 道 內 電 雙 層 重 疊 程 度 因 溶 液 濃 度 梯 度 而 有 所 差 異, 產 生 整 流 效 果 其 中 以 第 一 種 方 式 製 作 的 奈 米 二 極 體 較 具 廣 泛 性 及 延 伸 性, 但 其 製 作 技 術 性 也 較 高 冺 用 奈 米 管 道 內 單 一 離 子 的 特 性, 仿 效 金 屬 氧 化 半 導 體 場 效 電 晶 體 (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET) 的 原 理, 亦 可 製 作 操 控 離 子 及 生 物 分 子 傳 輸 的 奈 米 流 體 式 場 效 電 晶 體 (nanofluidic field-effect transistor)[25] 薄 膜 科 技 猶 如 新 能 源 開 發 的 鑰 匙, 薄 膜 在 能 源 轉 換 上 就 像 整 個 系 統 的 心 臟 一 般, 如 燃 料 電 池 領 域 所 使 用 的 質 子 交 換 膜 而 奈 米 管 道 亦 具 有 與 薄 膜 相 同 之 功 能, 如 單 一 離 子 選 擇 性, 且 其 尚 有 比 樹 脂 交 換 膜 機 械 性 質 及 熱 性 質 佳 的 優 點, 因 此 奈 米 通 道 式 薄 膜 亦 被 應 用 於 與 薄 膜 有 關 之 微 型 能 源 轉 換, 如 微 型 直 接 甲 醇 ( 甲 酸 ) 燃 料 電 池 [26] 電 動 能 轉 換 之 奈 米 液 流 電 池 (mechanical-electrokinetic battery) [27] 鹽 分 梯 度 能 源 轉 換 之 逆 電 透 析 (reverse electrodialysis) 等 奈 米 通 道 式 薄 膜 除 了 奈 米 通 道 製 作 問 題 外, 尚 有 通 道 表 面 改 質 的 問 題, 如 把 弱 酸 表 面 官 能 基 改 變 為 強 酸 基 ( 如 磺 化 處 理 ), 將 可 使 奈 米 通 道 遇 到 酸 性 溶 液 時 仍 具 有 極 佳 之 離 子 選 擇 性 在 微 米 管 道 與 奈 米 管 道 介 面 處 現 象 的 研 究 方 面, 以 電 動 現 象 中 之 濃 度 極 化 (concentration polarization) 的 研 究 議 題 最 受 矚 目 [28], 其 發 生 機 制 為 具 表 面 電 荷 奈 米 管 道 呈 現 單 一 離 子 通 道 (ion channel), 如 陰 離 子 無 法 通 過 帶 負 電 荷 管 道, 奈 米 管 道 內 表 面 電 傳 導 (surface conductance) 遠 大 於 溶 液 本 質 電 傳 導 (bulk conductance), 當 施 加 電 場 後 微 米 與 奈 米 空 間 陰 陽 離 子 通 量 將 產 生 不 守 恆 情 況, 為 了 滿 足 質 量 守 恆, 則 在 陽 極 端 發 生 離 子 空 乏 現 象, 陰 極 端 發 生 離 子 增 益 現 象, 施 加 電 壓 與 電 流 之 間 將 呈 非 線 性 關 係 (S 曲 線 ), 亦 即 系 統 等 效 電 阻 產 生 變 化, 歐 姆 定 律 已 不 適 用 當 通 予 固 定 電 流 於 微 米 與 奈 米 連 接 管 道 時, 被 稱 作 離 子 濃 度 震 波 (shock wave) 將 在 微 米 管 道 形 成 [29] 其 實 此 種 濃 度 極 化 現 象 在 傳 統 薄 膜 電 透 析 領 域 已 被 發 現 及 研 究, 而 新 奈 米 流 體 學 研 究 學 者 則 重 新 以 規 則 性 奈 米 通 道 取 代 薄 膜 準 確 地 研 究 此 現 象, 並 應 用 於 微 流 體 生 醫 檢 測 技 術 上, 例 如 陰 極 端 的 離 子 增 益 現 象 可 應 用 於 微 量 帶 電 生 物 分 子 (DNA 蛋 白 質 ) 的 預 濃 縮 (preconcentration), 麻 省 理 工 學 院 Han 教 授 研 究 團 隊 更 冺 用 陽 極 端 的 離 子 空 乏 區 的 類 似 離 子 能 障 特 性 及 此 處 發 生 的 非 線 性 電 滲 流, 使 得 負 電 荷 分 析 物 ( 蛋 白 質 ) 被 堵 圔 (trap) 於 空 乏 區 前 端 而 達 分 析 物 濃 度 增 益 效 果, 其 團 隊 依 此 方 式 開 發 設 計 出 一 系 列 微 量 生 物 樣 品 檢 測 用 之 百 萬 倍 放 大 預 濃 縮 裝 置 (preconcentrator)[30], 並 應 用 於 蛋 白 質 免 疫 分 析 (immunoassay), 其 研 究 團 隊 亦 應 用 陽 極 端 的 離 子 空 乏 區 於 海 水 淡 化 ( 除 鹽 化 )(desalination)[31] 濃 度 極 化 的 應 用 為 微 流 體 與 奈 米 流 體 結 合 之 最 佳 範 例, 尚 14

17 有 許 多 現 象 及 應 用 值 得 我 們 未 來 持 續 研 究 開 發 在 微 流 體 裝 置, 微 米 尺 寸 細 胞 的 操 控 或 單 一 細 胞 的 偵 測 已 可 輕 易 實 現 且 技 術 成 熟, 而 奈 米 尺 寸 的 生 物 分 子 則 較 難 以 精 準 地 操 控 及 偵 測, 但 隨 著 基 因 體 計 畫 的 發 展, 單 一 生 物 分 子 (single molecule) 的 偵 測 一 直 是 努 力 的 目 標, 若 我 們 將 裝 置 尺 度 縮 小 至 與 生 物 分 子 尺 寸 相 當 時, 則 生 物 分 子 的 操 控 性 及 偵 測 靈 敏 度 將 會 提 升, 因 此 奈 米 流 體 學 的 發 展 目 標 之 ㄧ 就 是 實 現 單 一 生 物 分 子 的 操 控 及 偵 測, 奈 米 流 體 裝 置 對 生 物 物 理 學 ( 如 高 分 子 聚 合 物 DNA 的 物 理 學 理 論 ) 及 基 因 體 學 (genomics) 的 未 來 研 究 提 供 了 一 個 絕 佳 的 工 作 帄 台, 如 DNA 型 態 拉 伸 分 離 收 集 偵 測 圖 譜 繪 製 (mapping) 定 序 (sequencing) DNA 與 其 他 生 物 分 子 的 交 互 作 用 等 研 究 [32, 33] 膠 片 電 泳 (gel electrophoresis) 算 是 生 物 巨 分 子 (DNA 蛋 白 質 ) 於 奈 米 結 構 下 分 離 的 一 個 典 型 例 子, 但 傳 統 使 用 之 膠 片 大 都 是 使 用 海 藻 膠 製 成, 其 屬 於 不 規 則 性 的 奈 米 多 孔 性 結 構 (disordered nanoporous structure), 而 在 新 奈 米 流 體 學 領 域, 研 究 學 者 則 以 先 進 的 奈 米 加 工 技 術 製 作 具 規 則 性 的 奈 米 結 構 陣 列 (regular nanometre-sized structure), 以 提 供 生 物 巨 分 子 的 分 離 或 篩 選 (sieving) 使 用, 由 於 人 工 奈 米 流 體 通 道 結 構 具 有 規 則 性 可 設 計 性 及 可 控 制 性 等 優 點, 我 們 可 依 所 需 之 功 能 性 及 目 的, 設 計 出 各 式 各 樣 的 奈 米 生 物 巨 分 子 分 離 器 (separator) 篩 選 器 (sieve) 收 集 器 (sorter) 這 些 生 物 巨 分 子 (DNA) 之 奈 米 尺 度 分 離 篩 選 或 收 集 機 制, 包 含 巨 分 子 能 量 狀 態 相 關 的 熵 捕 捉 (entropic trapping) 及 熵 畏 縮 (entropic recoil) 位 阻 排 斥 (Steric repulsion) 的 歐 格 斯 頓 篩 選 (Ogston sieving) 靜 電 篩 選 (electrostatic sieving) 分 子 布 朗 運 動 相 關 之 布 朗 棘 齒 (Brownian ratch) 分 離, 以 及 綜 合 多 種 篩 選 機 制 (entropic trapping Ogston sieving 及 electrostatic sieving) 之 非 等 向 性 奈 米 結 構 陣 列 的 連 續 流 分 離 法 [34] 由 於 螢 光 染 劑 標 定 會 造 成 生 物 分 子 靜 電 荷 及 型 態 的 變 化, 因 此 單 一 生 物 分 子 的 免 標 定 偵 測 (label-free detection) 是 發 展 重 點, 如 藉 由 冺 用 奈 米 孔 (nanopore) 及 奈 米 線 (nanowire) 來 進 行 電 性 量 測, 例 如 單 股 DNA 分 子 穿 越 極 小 奈 米 孔 洞 時 可 藉 由 金 屬 氧 化 半 導 體 場 效 電 晶 體 (MOSFET) 來 偵 測 [35], 如 圖 3(a) 所 示 要 研 究 新 奈 米 流 體 學, 奈 米 流 體 裝 置 的 製 作 是 最 重 要 的 一 環, 因 此 一 維 或 多 維 的 奈 米 製 程 技 術 開 發 也 是 此 領 域 的 研 究 重 點, 奈 米 加 工 法 主 要 分 為 由 上 而 下 (top-down) 及 由 下 而 上 (bottom-up) 的 方 式 [36] 前 者 製 程 包 含 濕 式 / 乾 式 蝕 刻 法 (wet/dry etching) 犧 牲 層 法 (Sacrificial layer methods) 高 能 束 加 工 法 (high-energy beam) 及 奈 米 壓 印 法 (nanoimprinting lithography) 等, 後 者 製 程 如 分 子 自 我 組 裝 法 (molecular self assembly method), 因 所 需 奈 米 流 體 裝 置 的 尺 寸 約 在 數 奈 米 至 百 奈 米 左 右, 因 此 在 奈 米 流 體 學 領 域 之 製 程 技 術 發 展 仍 以 前 者 製 程 法 (top-down) 較 為 普 遍, 如 圖 3(b) 所 示 15

18 (a) (b) 圖 3 (a)mosfet 奈 米 孔 之 單 股 DNA 分 子 電 性 偵 測 [35],(b) 由 上 而 下 (top-down) 製 造 之 各 樣 式 奈 米 流 體 裝 置 [33] 16

19 四 光 流 體 (Optofluidics) 規 劃 內 容 光 流 體 學 研 究 領 域 泛 指 的 是 光 學 (optics) 與 ( 微 ) 流 體 學 (fluidics) 兩 門 學 問 相 結 合 議 題 的 研 究 [3], 其 主 要 分 為 兩 大 研 究 方 向, 第 一 種 是 冺 用 光 操 控 流 ( 液 ) 體 粒 子 細 胞 及 生 物 分 子 的 研 究 (optics enabling fluidics), 第 二 種 則 是 冺 用 由 流 ( 液 ) 體 及 粒 子 操 控 光 學 元 件 特 性 及 功 能 的 研 究 (fluidics enabling optics) 此 類 的 議 題 其 實 早 已 有 相 關 研 究, 例 如 前 者 最 著 名 之 例 子 如 發 展 已 久 的 光 鉗 ( 鑷 子 )(optical tweezers) 技 術, 以 及 後 者 的 油 浸 式 顯 微 鏡 望 遠 鏡 內 液 體 鏡 面 油 / 水 鏡 液 晶 顯 示 器 等, 但 隨 著 微 流 體 領 域 的 發 展, 使 得 其 在 2002 年 左 右 開 始 蓬 勃 發 展, 而 有 了 它 的 專 門 名 稱 光 流 體 學, 發 展 至 今 約 8 年 的 時 間, 有 些 技 術 已 可 達 商 品 化 應 用, 而 有 些 技 術 仍 處 於 學 術 研 究 階 段, 此 研 究 領 域 極 具 創 意 性 應 用 性 及 發 展 潛 力, 值 得 大 家 投 入 研 究 探 討 光 操 控 流 ( 液 ) 體 粒 子 細 胞 及 生 物 分 子 的 研 究 議 題 主 要 是 配 合 微 流 體 檢 測 分 析 的 需 要, 典 型 例 子 如 光 鉗 (single-beam gradient force trap) 冺 用 光 速 光 子 的 動 量 轉 移 產 生 作 用 力 (gradient force 及 scattering force) 操 控 微 奈 米 流 體 裝 置 內 之 微 粒 子 或 生 物 分 子 近 期 加 州 柏 克 萊 大 學 Wu 教 授 研 究 團 隊 將 光 鉗 操 控 延 伸 至 與 電 潤 濕 介 電 泳 等 電 操 控 機 制 結 合, 發 展 出 了 一 創 新 性 的 技 術 光 電 結 合 式 鑷 子 (optoelectronic tweezers) [37, 38], 如 圖 4(a) 所 示, 其 獨 特 之 處 在 於 其 只 要 設 計 一 功 能 性 投 射 動 態 影 像, 即 可 任 意 操 控 目 標 物 其 尚 有 與 磁 場 操 控 機 制 結 合 的 光 磁 結 合 式 鑷 子 (optomagnetic tweezers) 流 ( 液 ) 體 及 粒 子 操 控 光 學 的 研 究 方 面, 以 開 發 液 態 光 學 元 件 及 功 能 為 主 要 方 向 而 為 什 麼 要 使 用 流 ( 液 ) 體 與 光 學 結 合, 主 要 是 流 體 擁 有 固 體 材 料 所 沒 有 的 獨 特 性 質, 例 如 在 一 裝 置 上 可 藉 由 流 體 介 質 之 更 替 而 改 變 系 統 之 光 學 性 質 ( 可 調 控 性 ) 兩 不 互 溶 流 體 (immiscible fluids) 間 擁 有 光 學 上 所 需 之 帄 滑 界 面 在 兩 可 互 溶 流 體 (miscible fluids) 流 動 中 可 藉 由 擴 散 效 應 輕 易 地 產 生 帄 滑 的 光 學 性 質 梯 度, 而 這 些 性 質 將 可 被 冺 用 來 設 計 新 的 光 學 元 件, 例 如 光 波 導 液 態 透 鏡 染 料 雷 射 光 開 關 光 柵 光 衰 減 器 晶 片 流 體 式 顯 微 鏡 螢 光 源 顯 示 器 等 各 種 光 學 元 件 及 功 能, 其 中 2002 年 貝 爾 實 驗 室 John Rogers 博 士 團 隊 所 提 出 之 可 調 控 式 微 流 體 光 纖 概 念 [39, 40] 亦 被 2004 年 的 MIT Technology Review 選 為 十 大 未 來 科 技 之 ㄧ 微 型 液 態 透 鏡 的 研 究 更 是 熱 門, 其 商 品 化 物 品 就 是 微 型 可 變 焦 式 鏡 頭 (variable-focus lens) [41, 42], 其 藉 由 電 潤 濕 或 介 電 泳 力 方 式 操 控 液 態 透 鏡 的 曲 面 來 達 變 焦 功 能, 如 圖 4(b) 所 示, 常 應 用 於 手 機 照 像 功 能 或 卡 片 式 數 位 相 機 以 電 潤 濕 控 制 的 微 流 體 電 子 書 (microfluidic electronic paper) 亦 是 非 常 有 趣 的 研 究 項 目 [43-45] 另 外, 藉 由 微 流 體 或 奈 米 流 體 的 操 控, 光 學 性 質 可 在 大 於 一 個 波 長 或 小 於 一 個 波 長 的 範 圍 內 被 動 態 的 操 控, 其 可 應 用 範 圍 包 含 了 可 重 新 調 控 配 置 的 光 子 晶 體 迴 路 (photonic crystal circuit)[46] 流 體 式 適 應 性 光 學 (adaptive optics) 高 靈 敏 性 之 生 物 光 學 偵 測 (optical sensing) 而 在 微 型 全 分 析 系 統 之 發 展 上, 雖 然 微 流 體 技 術 經 過 多 年 來 的 發 展, 已 具 有 將 多 種 流 體 元 件 整 合 於 一 晶 片 之 能 力, 但 光 17

20 學 偵 測 系 統 之 元 件 大 部 分 仍 未 整 合 於 流 體 晶 片 上, 由 於 光 流 體 具 有 整 合 (integration) 及 可 重 新 配 置 性 (reconfigurability) 的 優 點, 藉 由 光 流 體 學 之 概 念, 將 可 光 學 偵 測 系 統 之 光 學 元 件 和 流 體 晶 片 整 合 在 同 一 晶 片 上, 進 而 達 到 實 驗 室 晶 片 之 目 標 [47-49] 光 流 體 學 與 微 流 體 結 合 的 發 展 非 常 快 速, 在 國 外 之 研 究 已 有 非 常 多 的 研 究 成 果, 國 內 亦 有 少 許 的 相 關 研 究 國 外 之 最 大 研 究 團 隊, 就 屬 美 國 加 州 理 工 Psaltis 教 授 所 主 持 的 DARPA 光 流 體 整 合 中 心 (DARPA center for optofluidic integration), 此 研 究 計 畫 始 於 2004 年, 其 為 一 跨 校 合 作 之 計 畫, 成 員 包 含 了 加 州 理 工 學 院 哈 佛 大 學 史 丹 佛 大 學 加 州 大 學 聖 地 牙 哥 分 校 等 知 名 大 學 除 此 之 外, 尚 有 荷 蘭 飛 冺 浦 公 司 貝 爾 實 驗 室 康 乃 爾 大 學 Erickson 教 授 的 研 究 團 隊 日 本 東 京 大 學 Yamamoto 教 授 的 研 究 團 隊 澳 洲 雪 梨 大 學 Eggleton 教 授 的 研 究 團 隊 丹 麥 科 技 大 學 Kristensen 教 授 的 研 究 團 隊 等 投 入 此 研 究 領 域 在 過 去 幾 年 的 發 展 中, 少 許 之 研 究 成 果 可 被 商 品 化, 而 可 調 控 式 液 態 透 鏡 之 研 究 是 目 前 具 商 品 化 的 研 究 項 目, 其 中 飛 冺 浦 公 司 之 研 究 團 隊 [41], 冺 用 電 潤 濕 之 原 理 控 制 液 體 鏡 面 以 調 控 聚 焦 長 度, 而 製 作 出 一 可 變 焦 鏡 頭, 飛 冺 浦 公 司 研 究 部 門 亦 使 用 電 潤 濕 原 理 發 展 微 流 體 電 子 書 [43], 貝 爾 實 驗 室 發 展 出 之 可 調 控 式 微 流 體 光 纖 及 光 波 導 [39], 加 州 理 工 學 院 發 展 出 之 光 流 體 式 顯 微 鏡 [50, 51], 此 顯 微 鏡 可 整 合 至 晶 片 上, 解 析 度 可 達 500 奈 米 而 在 微 流 體 式 液 體 - 液 體 光 波 導 (liquid-core/liquid-cladding) [52] 螢 光 光 源 (fluorescent light source)[53] 之 發 展 主 要 的 團 隊 為 哈 佛 大 學 Whitesides 教 授 研 究 團 隊, 藉 由 兩 組 帄 行 之 液 體 - 液 體 光 波 導 之 間 擴 散 效 應, 可 在 管 道 之 下 游 處 達 完 全 混 合 而 自 然 形 成 單 一 之 液 體 - 液 體 光 波 導, 若 光 由 下 游 導 入, 將 可 一 道 光 分 成 兩 道 光, 此 裝 置 可 作 為 分 光 器 (splitter) 使 用, 若 兩 光 波 導 之 核 心 染 液 不 同, 則 可 做 為 光 濾 器 (filter) 使 用 [54] 此 外, 光 流 體 式 雷 射 及 染 料 雷 射 (dye laser) 也 有 非 常 多 學 者 的 研 究 [55-57] 尚 有 許 多 具 創 意 性 的 流 體 式 光 學 元 件 及 功 能 值 得 國 內 相 關 研 究 學 者 在 未 來 持 續 投 入 研 究 開 發 (a) (b) 18

21 圖 4 (a) 光 電 結 合 式 鑷 子 操 控 微 型 目 標 物 [37],(b) 電 潤 濕 調 控 式 液 態 透 鏡 [41] 五 參 考 文 獻 [1] Manz A, Graber N, and Widmer H M (1990) Miniaturized total chemical analysis systems: a novel concept for chemical sensing. Sensors and Actuators, B1, [2] Sparreboom W, van der Berg A, Eijkel JCT (2009) Principles and applications of nanofluidic transport. Nature Nanotechnology, 4, [3] Psaltis D, Quake SR, Yang C (2006) Developing optofluidic technology through the fusion of microfluidics and optics. Nature, 442, [4] Martinez AW, Phillips ST, and Whitesides GM (2010) Diagnostics for the developing world: microfluidic paper-based analytical devices. Analytical Chemistry, 82, [5] van der Berg A, Craighead HG, and Yang P (2010) From microfluidic applications to nanofluidic phenomena. Chemical Society Reviews, 39, [6] Squires TM and Quake SR (2005) Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale. Reviews of Modern Physics, 77, [7] Fair RB (2007) Digital microfluidics: is a true lab-on-a-chip possible, Microfluidics and Nanofluidics, 3, [8] Pennathur S, Eijkel J, and van den Berg A (2007) Energy conversion in microsystems: is there a role for micro/nanofluidics? Lab Chip, 7, [9] Kjeang E, Djilali N, and Sinton D (2009) Microfluidic fuel cells: a review. Journal of Power Sources, 186, [10] Martinez AW, Phillips ST, and Whitesides GM (2008) Three-dimensional microfluidic devices fabricated in layered paper and tape. PNAS, 105,

22 [11] Eijkel JCT and van den Berg A (2005) Nanofluidics: what is it and what can we expect from it? Microfluidics and Nanofluidics, 1, [12] Schoch RB, Han J, and Renaud P (2008) Transport phenomena in nanofluidics. Reviews of Modern Physics, 80, [13] Noy A, Park HG, Fornasiero F, Holt JK, Grigoropoulos CP, and Bakajin O (2007) Nanofluidics in carbon nanotubes. Nano Today, 2, [14] Bocquet L and Charlaix E (2010) Nanofluidics, from bulk to interfaces. Chemical Society Reviews, 39, [15] Eijkel J (2007) Liquid slip in micro-and nanofluidics: recent research and its possible implications. Lab Chip, 7, [16] Majumder M, Chopra N, Andrews R, and Hinds B (2005) Enhanced flow in carbon nanotubes. Nature, 438, 44. [17] van Honschoten JW, Brunets N, and Tas NR (2010) Capillarity at the nanoscale. Chemical Society Reviews, 39, [18] Siwy ZS and Howorka S (2010) Engineered voltage-responsive nanopores. Chemical Society Reviews, 39, [19] Plecis A, Schoch RB, and Renaud P (2005) Ionic transport phenomena in nanofluidics: experimental and theoretical study of the exclusion-enrichment effect on a chip. Nano Letters, 5, [20] Pennathur S and Santiago JG (2005) Electrokinetic transport in nanochannels 2: experiments. Analytical Chemistry, 77, [21] Stein D, Kruithof M, and Dekker C (2004) Surface-charge-governed ion transport in nanofluidic channels. Physical Review Letters, 93, [22] Gijs MAM (2007) Will fluidic electronics take off? Nature Nanotechnology, 2, [23] Cheng L-J and Guo LJ (2010) Nanofluidic diodes. Chemical Society Reviews, 39, [24] Daiguji H (2010) Ion transport in nanofluidic channels. Chemical Society Reviews, 39, [25] Karnik R, Fan R, Yue M, Li D, Yang P, and Majumdar A (2005) Electrostatic control of ions and molecules in nanofluidic transistors. Nano Letters, 5, [26] Liu R, Pu Q, Gao L, Korzeniewski C, and Matzke C (2005) From nanochannel induced proton conduction enhancement to a nanochannel based fuel cell. Nano Letters, 5, [27] van der Heyden FHJ, Bonthuis DJ, Stein D, Meyer C, and Dekker C (2007) Power generation by pressure-driven transport of ions in nanofluidic channels. Nano Letters, 7, [28] Kim SJ, Song Y-A, and Han J (2010) Nanofluidic concentration devices for 20

23 biomolecules utilizing ion concentration polarization: theory, fabrication, and applications. Chemical Society Reviews, 39, [29] Zangle TA, Mani A, and Santiago JG (2010) Theory and experiments of concentration polarization and ion focusing at microchannel and nanochannel interfaces. Chemical Society Reviews, 39, [30] Wang Y-C, Stevens AL, and Han J (2005) Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filters. Analytical Chemistry, 77, [31] Kim SJ, Ko SH, Kang KH, and Han J (2010) Direct seawater desalination by ion concentration polarization. Nature Nanotechnology, 5, [32] Levy SL and Craighead HG (2010) DNA manipulation, sorting, and mapping in nanofluidic systems. Chemical Society Reviews, 39, [33] Persson F and Tegenfeldt JO (2010) DNA in nanochannels-directly visualizing genomic information. Chemical Society Reviews, 39, [34] Fu J, Schoch RB, Stevens AL, Tannenbaum SR, and Han J (2007) A patterned anisotropic nanofluidic sieving structure for continuous-flow separation of DNA and proteins. Nature Nanotechnology, 2, [35] Gracheva ME, Aksimentiev A, and Leburton J-P (2006) Electrical signatures of single-stranded DNA with single base mutations in a nanopore capacitor. Nanotechnology, 17, [36] Mijatovic D, Eijkel JCT and van den Berg A (2005) Technologies for nanofluidic systems: top-down vs. bottom-up a review. Lab Chip, 5, [37] Chiou PY, Ohta AT, and Wu MC (2005) Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images. Nature, 436, [38] Park S-Y, Teitell MA, and Chiou PY (2010) Single-dided continuous optoelectrowetting (SCOEW) for droplet manipulation with light patterns. Lab Chip, [39] Mach P, Dolinski M, Baldwin K, Rogers J, Kerbage C, Windeler C, and Eggleton B (2002) Tunable microfluidic optical fiber. Applied Physics Letters, 80, [40] Levy U and Shamai R (2008) Tunable optofluidic devices. Microfluidics and Nanofluidics, 4, [41] Kuiper S and Hendriks BHW (2004) Variable-focus liquid lens for miniature cameras, Applied Physics Letters, 85, [42] Hendriks BHW, Kuiper S, van As MAJ, Renders CA, and Tukker (2005) Electrowetting-based variable-focus lens for miniature systems. Optical Review, 12, [43] Erickson D, Rockwood T, Emery T, Scherer A, Psaltis D (2006) Nanofluidic tuning of photonic crystal circuits. Optical Letters, 31,

24 [44] Hayes R and Feenstra B (2003) Video-speed electronic paper based on electrowetting. Nature, 425, [45] Drzaic P (2009) Microfluidic electronic paper. Nature Photonics, 3, [46] You H and Steckl AJ (2010) Three-color electrowetting display device for electronic paper. Applied Physics Letters, 97, [47] Yang C and Psaltis D (2006) Optofluidics can create small, cheap biophotonic devices. Laser Focus World, [48] Hunt HC and Wilkinson (2008) Optofluidic integration for microanalysis. Microfluidics and Nanofluidics, 4, [49] Monat C, Domachuk P, Grillet C, Collins M, Eggleton BJ, Cronin-Golomb M, Mutzenich S, Mahmud T, Rosengarten G, and Mitchell A (2008) Optofluidics: a novel generation of reconfigurable and adaptive compact architectures. Microfluidics and Nanofluidics, 4, [50] Heng X, Erickson D, Baugh R L, Yaqoob Z, Sternberg PW, Psaltis D, Yang C (2006) Optofluidic microscopy- a method for implementing a high resolution optical microscope on a chip. Lab Chip, 6, [51] Cui X, Lee LM, Heng X, Zhong W, Sternberg PW, Psaltis, and Yang C (2008) Lensless high-resolution on-chip optofluidic microscopes for Caenorhabditis elegans and cell imaging. PNAS, 105, [52] Wolfe D, Conroy R, Garstecki P, Mayers B, Fischbach M, Paul K, Prentiss M, and Whitesides GM (2004) Dynamic control of liquid-core/liquid-cladding optical waveguides, PNAS, 101, [53] Vezenov DV, Mayers BT, Wolfe DB, and Whitesides GM (2005) Integrated fluorescent light source for optofluidic applications. Applied Physics Letters, 86, [54] Wolfe DB, Vezenov DV, Mayers BT, and Whitesides GM (2005) Diffusion-controlled optical elements for optofluidics. Applied Physics Letters, 87, [55] Vezenov DV, Mayers BT, Wolfe DB, Conroy R, and Whitesides GM, Snee PT, Chan Y, Nocera DG, Bawendi MG. (2005) A low-threshold, high-efficiency microfluidic waveguide laser. Journal of American Chemistry Society, 127, [56] Li Z, Zhang Z, Emery T, Scherer A, and Psaltis D, Single mode optofluidic distributed feedback dye laser. Optical Express, 14, [57] Gersborg-Hansen M and Kristensen A (2006) Optofluidic third order distributed feedback dye laser. Applied Physics Letters, 89,

25 第 二 章 生 醫 流 體 力 學 研 究 領 域 研 究 重 點 規 劃 內 容 規 劃 小 組 召 集 人 : 黃 美 嬌 ( 台 灣 大 學 機 械 工 程 學 系 ) 23

26 一 前 言 根 據 衛 生 署 資 料,2008 年 台 灣 民 眾 十 大 死 因 依 序 是 : 惡 性 腫 瘤 (27.3%) 心 臟 疾 病 (11.1%) 腻 血 管 疾 病 (7.5%) 肺 炎 (6.1) 糖 尿 病 (5.6%) 意 外 事 故 (5%) 慢 性 下 呼 吸 道 疾 病 (3.8%) 慢 性 肝 病 及 肝 硬 化 (3.5%) 自 殺 (2.9%), 腎 炎 腎 徵 候 群 及 腎 性 病 變 (2.8%), 其 中 心 血 管 疾 病 更 是 全 球 致 死 率 第 一 名 這 些 疾 病 大 多 與 人 體 內 的 循 環 系 統 有 關, 而 這 些 循 環 系 統, 例 如 呼 吸 系 統 血 液 循 環 系 統 淋 巴 系 統 泌 尿 系 統 聽 力 ( 耳 蝸 ) 關 節 潤 滑 腻 脊 髓 等, 莫 不 與 流 體 力 學 息 息 相 關, 這 也 彰 顯 出 流 體 力 學 在 生 物 醫 學 上 的 重 要 性 人 類 對 生 醫 流 體 力 學 的 研 究 從 1969 年 Caro 等 人 研 究 壁 剪 應 力 與 動 脈 粥 樣 化 的 關 係 開 始, 近 年 來 配 合 醫 學 影 像 技 術 的 進 步, 這 方 面 的 研 究 更 是 蓬 勃, 累 積 了 相 當 程 度 的 進 展 然 而, 礙 於 生 物 系 統 的 複 雜 性 多 尺 度 性 (multi-scale) 多 物 理 性 (multi-physics), 已 發 掘 的 生 醫 流 體 力 學 知 識 仍 屬 有 限, 尤 其 對 於 臨 床 診 斷 治 療 方 法 風 隩 評 估 治 療 結 果 預 後 及 醫 療 裝 置 最 佳 化 設 計 等 研 究 尚 僅 處 於 萌 芽 階 段, 亟 頇 投 注 更 多 研 究 努 力, 以 促 進 醫 學 之 進 步 與 發 展 有 鑑 於 此, 本 學 門 乃 針 對 人 體 相 關 的 流 體 力 學 問 題 進 行 重 點 研 究 規 劃 中 長 程 的 研 究 目 標 設 定 為 : 從 細 胞 到 組 織 到 器 官, 一 個 可 處 理 複 雜 幾 何 多 尺 度 多 物 理 系 統 的 整 合 性 實 驗 及 理 論 分 析 方 法 ; 建 立 流 體 力 學 與 疾 病 間 的 關 聯 性 (correlation), 融 入 生 理 學 及 病 理 學 的 知 識, 尋 找 可 茲 冺 用 的 生 物 標 記 (biomarker), 以 協 助 臨 床 診 斷 ; 治 療 方 法 風 隩 評 估 治 療 結 果 預 後 及 醫 療 裝 置 最 佳 化 設 計 之 流 體 力 學 分 析 針 對 上 述 三 項 目 標, 以 下 分 基 礎 面 及 應 用 面 進 一 步 介 紹 可 探 討 的 研 究 方 向 二 基 礎 面 規 劃 內 容 2.1 流 變 學 (Rheology) 流 變 學 是 一 門 以 機 械 觀 點 來 探 討 材 料 特 性 的 學 問, 包 含 溶 液 漿 料 到 高 分 子 等 流 體 的 剪 切 黏 彈 性 質, 內 容 涵 括 非 牛 頓 流 體 力 學 及 圕 性 力 學 欲 分 析 預 測 這 些 流 體 的 行 為, 必 頇 先 瞭 解 流 體 剪 切 應 力 與 流 體 變 形 的 關 係, 其 與 分 子 內 部 結 構 ( 如 高 分 子 的 排 列 方 向 及 拉 伸 ) 緊 密 相 關 透 過 流 變 學 的 研 究, 可 瞭 解 分 子 / 粒 子 / 溶 液 的 微 觀 行 為, 進 而 加 以 操 控, 以 使 材 料 在 巨 觀 上 具 有 優 異 的 安 定 性 穩 定 性 或 機 械 性 質 生 醫 應 用 中, 如 血 液 是 由 55~60% 的 血 漿 和 40~45% 的 血 細 胞 ( 紅 細 球 白 細 球 血 小 板 ) 組 成, 是 典 型 的 非 牛 頓 流 體 紅 細 球 是 血 細 胞 主 要 的 成 分, 負 24

27 責 運 送 氧 氣 到 身 體 各 部 位, 並 將 二 氧 化 碳 送 到 肺 部 排 出 體 外 ; 白 細 球 能 幫 助 人 體 抵 禦 細 菌 病 毒 和 其 他 異 物 的 侵 襲 ; 出 血 時, 血 小 板 可 以 發 揮 凝 血 和 止 血 的 作 用 血 漿 中 有 90% 是 水, 其 餘 為 蛋 白 質 鈉 鉀 激 素 酶 等 人 體 新 陳 代 謝 所 需 要 的 物 質 醫 療 上 也 有 所 謂 的 血 液 成 分 治 療, 將 全 血 依 不 同 的 血 液 成 分 分 裝, 可 以 提 供 不 同 病 人 的 需 求, 而 使 血 液 作 最 有 效 率 的 應 用 欲 更 精 準 探 討 血 液 動 力 學, 應 考 慮 血 液 之 非 牛 頓 流 變 行 為, 特 冸 是 考 慮 微 血 管 或 病 變 血 管 內 的 流 場 剪 應 力 對 血 球 的 破 壞 沉 澱 等 影 響, 及 因 而 對 血 液 流 體 性 質, 進 而 對 流 場 所 造 成 的 改 變 一 個 能 準 確 描 述 細 胞 對 流 場 反 應 的 可 靠 的 構 成 方 程 式 (constitutive equation) 相 當 重 要 另 外 又 如 肺 氣 道 黏 液 具 有 剪 切 稀 化 (shear thinning) 的 特 性, 也 屬 非 牛 頓 流 體, 而 馬 克 思 流 體 (Maxwell fluid) 已 知 仍 不 足 以 描 述 其 特 性, 仍 需 更 進 一 步 研 究, 以 釐 清 其 特 性 2.2 多 孔 隙 滲 透 現 象 肺 泡 壁 氣 體 及 微 粒 交 換 淋 巴 腺 淋 巴 吸 收 心 血 管 跨 壁 滲 透 (filtration) 細 胞 與 次 細 胞 結 構 內 或 細 胞 外 間 質 (extracellular matrix) 物 質 或 力 的 傳 遞 等 都 屬 多 孔 隙 滲 透 現 象 一 個 正 確 描 述 滲 透 率 的 構 成 方 程 式 (constitutive equation) 或 經 驗 方 程 式 目 前 仍 付 之 闕 如 2.3 多 相 多 尺 度 流 場 分 析 生 物 流 體 的 組 成 很 複 雜, 牽 涉 的 時 間 及 長 度 範 圍 很 廣, 組 成 物 甚 至 可 依 受 力 情 況 及 化 學 刺 激 而 自 我 調 整 如 血 液 內 有 如 水 般 的 血 漿 半 固 體 的 紅 血 球 硬 化 的 血 塊 等 等 血 液 動 力 學 包 含 血 液 與 血 管 壁 間 的 交 互 作 用, 流 速 血 壓 和 流 場 引 致 的 作 用 力 或 可 以 巨 觀 的 連 續 力 學 解 析, 但 血 管 壁 內 膜 細 胞 對 作 用 力 的 反 應 血 液 成 分 在 管 壁 上 的 滲 透 紅 血 球 的 變 形 血 小 板 的 凝 聚 等 則 又 牽 涉 微 觀 細 胞 力 學 肺 氣 道 內 則 有 氣 體 黏 液 纖 毛 外 來 微 粒 等 多 相 物 質 交 互 作 用 配 合 醫 學 成 影 技 術, 如 侵 入 式 及 非 侵 入 式 超 音 波 (ultrasound) 核 磁 共 振 (magnetic resonance imaging) 電 腻 斷 層 掃 描 (computed tomographic imaging) X 光 攝 影 (X-ray) 等, 可 取 得 一 些 相 當 有 用 的 解 剖 學 上 組 織 結 構 全 尺 度 的 直 接 分 析 不 容 易, 結 合 多 相 流 分 析 技 術, 整 合 細 胞 力 學 流 體 力 學 生 理 學 病 理 學 知 識 更 屬 不 易 ; 發 展 或 歸 納 合 適 的 經 驗 或 半 經 驗 方 程 式 將 有 助 於 建 立 簡 化 但 仍 屬 完 整 的 分 析 模 型 2.4 微 奈 米 流 體 力 學 近 年 來 微 奈 米 管 道 在 生 醫 檢 測 及 分 析 應 用 上 是 一 個 深 具 潛 力 的 實 驗 帄 台, 如 DNS 檢 驗 酵 素 萃 取 與 化 驗 免 疫 分 析 細 胞 培 養 與 測 詴 等 都 可 使 用, 具 有 低 反 應 時 間 低 劑 量 需 求 高 敏 感 度 等 優 點 由 於 微 奈 米 尺 度 下 的 力 學 特 性 與 巨 觀 25

28 特 性 並 不 盡 相 同, 很 多 巨 觀 尺 度 下 並 不 重 要 的 力 或 現 象, 在 微 觀 尺 度 下 卻 是 極 其 重 要, 如 電 滲 (electro-osmosis) 介 電 泳 (dielectrophoresis) 電 潤 濕 (electro-wetting) 毛 細 現 象 及 表 面 張 力 滑 移 邊 界 等 因 子, 其 重 要 性 及 物 理 機 制 都 頇 進 一 步 釐 清 相 關 重 點 研 究 可 參 看 九 十 五 年 熱 流 暨 能 源 學 門 研 究 發 展 規 劃 書 第 六 章 微 奈 米 流 體 力 學 ( 召 集 人 楊 瑞 珍 教 授 ) 三 應 用 面 規 劃 內 容 3.1 心 血 管 流 體 力 學 人 類 對 血 液 動 力 學 的 分 析 已 經 有 很 長 一 段 歷 史, 從 開 放 系 統 到 循 環 系 統 從 穩 態 流 到 脈 衝 流 從 牛 頓 流 體 到 非 流 頓 流 體 從 剛 壁 血 管 到 彈 性 血 管 從 流 場 細 節 探 討 到 波 動 與 共 振, 各 方 面 發 展 都 已 有 一 些 初 步 成 果 與 單 純 管 道 流 體 力 學 最 不 同 的 是 : 正 常 血 管 具 有 自 我 調 節 的 功 能, 流 量 與 壓 力 間 存 在 有 回 饋 機 制, 乃 由 神 經 與 交 感 神 經 控 制 ; 因 而 整 個 循 環 系 統, 包 括 心 臟 的 脈 衝 律 動 冠 狀 動 脈 系 統 的 壓 力 脈 衝 律 動 收 縮 心 肌 的 脈 衝 律 動, 是 一 個 交 相 和 諧 運 作 的 系 統 因 此 要 達 到 準 確 的 心 血 管 流 場 分 析 或 病 因 探 討, 其 實 必 頇 仰 賴 一 個 完 整 的 心 血 管 循 環 系 統 的 分 析 例 如 心 臟 猝 死 是 由 於 心 臟 輸 出 量 (cardiac output) 驟 降, 無 法 維 持 腻 或 心 臟 的 功 能, 而 驟 降 的 原 因 初 步 冹 斷 可 能 來 自 病 變 心 血 管 造 成 的 冠 狀 動 脈 血 流 量 過 低, 兩 者 之 間 的 關 連 性 尚 需 要 進 一 步 研 究 確 立 至 於 局 部 心 血 管 系 統 官 能 失 常 的 原 因 及 有 效 治 療 方 法 的 研 發, 血 液 動 力 學 研 究 可 提 供 相 當 程 度 的 幫 忙 例 如 在 血 管 分 歧 處 ( 如 頸 動 脈 ) 及 曲 率 或 管 徑 變 化 較 大 處, 常 有 複 雜 流 場 產 生, 流 場 對 內 膜 細 胞 的 某 種 作 用 可 能 是 血 管 粥 樣 硬 化 的 原 因, 流 場 沖 激 可 能 進 一 步 造 成 硬 塊 破 裂 沉 澱 堆 積, 形 成 血 塊 冺 用 醫 學 成 像 (clinic imagining) 技 術 提 供 的 血 管 道 幾 何 尺 寸, 配 合 流 體 力 學 分 析, 或 可 找 出 造 成 粥 樣 化 的 流 場 因 子, 如 管 道 幾 何 結 構 特 徵 流 場 剪 應 力 (wall shear stress) 血 小 板 在 發 炎 處 的 停 留 時 間 (residence time) 流 場 螺 旋 指 數 (helical flow index) 或 其 他 嫁 接 人 工 血 管 是 治 療 血 管 狹 隘 的 方 法 之 一, 而 嫁 接 處 流 場 分 析 則 有 助 於 預 測 新 的 危 隩 區 域, 有 益 於 人 工 血 管 及 分 流 術 的 研 發 與 設 計 又 如 需 要 接 受 長 期 且 規 律 血 液 透 析 治 療 的 尿 毒 症 患 者, 通 常 頇 先 做 動 靜 脈 瘺 管 手 術 動 靜 脈 瘺 管 手 術 是 將 一 條 動 脈 與 其 鄰 近 的 靜 脈 做 吻 合 ( 常 選 擇 橈 動 脈 及 頭 臂 靜 脈 ), 或 以 接 種 人 工 血 管 作 為 橋 樑 將 動 脈 與 靜 脈 吻 合, 目 的 在 使 靜 脈 血 流 量 變 多 並 使 血 管 膨 脹, 以 便 能 夠 重 覆 扎 針, 進 行 血 液 透 析 然 而 這 些 橋 樑 在 用 了 一 段 時 間 後 常 會 發 生 堵 圔 窄 化 的 問 題, 流 場 分 析 將 有 助 於 瞭 解 窄 化 或 個 案 發 生 的 原 因 並 設 法 預 防 ; 其 它 如 人 工 心 臟 瓣 膜 冠 狀 動 脈 支 架 等 流 場 分 析 不 僅 有 助 於 疾 病 成 因 的 瞭 解 治 療 與 預 後, 也 參 與 人 工 器 官 安 全 性 效 率 生 命 期 的 設 計 與 分 析 如 何 運 用 生 醫 流 體 力 學 分 析 的 結 果 來 幫 助 臨 床 診 斷 及 疾 病 預 防 也 是 可 探 討 的 議 題 例 如 目 前 研 究 發 現 : 運 動 似 乎 可 以 抑 制 或 減 緩 動 脈 粥 樣 化, 也 可 以 減 緩 26

29 小 型 腹 部 動 脈 瘤 的 發 展, 其 原 因 一 般 猜 測 或 與 運 動 改 變 血 液 動 力 學 有 關, 但 是 否 如 此, 仍 待 研 究 探 討 體 循 環 系 統 ymphaticsystem.html 頸 動 脈 圖 示 s 氣 球 擴 張 術 (PTCA) 及 支 架 (Stent) 放 置 可 探 討 的 重 要 議 題 如 : 血 液 之 流 變 行 為 觀 測 與 構 成 方 程 式 探 討 血 管 壁 自 我 調 節 功 能 研 究 血 管 壁 血 液 滲 透 (filtration) 與 吸 收 (absorption) 現 象 分 析 研 究 27

30 脈 衝 血 液 流 體 力 學 研 究 脈 衝 流 體 力 學 波 動 與 共 振 現 象 研 究 血 液 流 場 因 子 與 血 管 粥 樣 硬 化 關 係 研 究 心 血 管 幾 何 因 子 與 疾 病 關 係 分 析 研 究 血 液 流 場 與 內 膜 細 胞 交 互 作 用 分 析 研 究 醫 療 裝 置 ( 如 人 工 瓣 膜 人 工 血 管 血 管 支 架 等 ) 流 場 分 析 與 最 佳 化 設 計 生 物 體 外 完 整 的 心 血 管 系 統 重 建 與 分 析 研 究 多 相 多 尺 度 流 固 耦 合 力 學 分 析 研 究, 含 彈 性 滲 透 性 血 管 道 非 牛 頓 血 液 流 體 正 常 及 病 變 血 球 細 胞 等 元 素 3.2 肺 氣 道 流 體 力 學 呼 吸 道 系 統 是 一 個 連 續 分 歧 的 複 雜 網 路 結 構, 具 有 彈 性 的 氣 管 壁 ; 肺 氣 道 管 壁 處 有 一 層 薄 薄 的 黏 液 存 在, 黏 液 厚 度 受 氣 流 黏 彈 性 表 面 活 化 素 (surfactant) 等 影 響 這 層 黏 液 若 太 厚, 會 妨 礙 氣 體 交 換, 造 成 呼 吸 窘 困 (Respiratory Distress Syndrome, RDS), 但 也 不 能 太 薄, 否 則 無 法 阻 止 毒 素 病 原 體 等 進 入 人 體 內, 也 無 法 協 助 排 痰 此 層 黏 液 與 氣 體 運 動 交 相 影 響, 表 面 張 力 在 此 扮 演 著 重 要 角 色 急 性 肺 損 傷 (Acute Lung Injury, ALI) 的 病 人 常 需 要 呼 吸 器 的 幫 忙, 然 而 呼 吸 器 產 生 的 微 氣 泡 流 體 有 可 能 惡 化 肺 損 傷 ; 當 以 不 正 常 的 外 力 將 崩 塌 或 堵 圔 的 呼 吸 道 重 新 打 開 時, 也 可 能 傷 害 組 織 細 胞 造 成 肺 損 傷 對 於 肺 氣 道 內 氣 體 黏 液 氣 道 交 互 作 用 的 瞭 解, 有 助 於 臨 床 的 診 斷 與 呼 吸 器 的 設 計 另 一 方 面, 由 於 空 氣 汙 染 造 成 愈 來 愈 多 人 呼 吸 系 統 方 面 的 疾 病, 主 要 肇 因 於 汙 染 微 粒 在 肺 部 中 沉 澱 堆 積, 這 些 微 粒 若 是 到 達 肺 泡, 也 可 能 對 氣 體 交 換 造 成 阻 礙 另 外, 以 噴 霧 劑 將 藥 物 送 達 肺 部 是 種 常 見 的 治 療 方 法, 但 能 否 準 確 將 藥 物 送 達 有 賴 於 對 藥 物 在 肺 氣 道 內 之 傳 輸 行 為 的 了 解 要 解 決 這 些 問 題, 不 僅 需 要 解 頗 學 上 複 雜 肺 氣 道 的 知 識, 也 仰 賴 對 肺 氣 道 內 氣 流 場 氣 管 壁 肺 氣 道 纖 毛 黏 液 等 彼 此 的 交 互 作 用 的 瞭 解 這 方 面 可 探 討 的 重 要 的 議 題 包 括 : 氣 道 黏 液 之 流 變 行 為 觀 測 與 構 成 方 程 式 探 討 以 連 續 分 岐 網 路 結 構 進 行 肺 氣 道 流 體 力 學 分 析 研 究 流 場 與 肺 氣 道 間 的 交 互 作 用 與 應 力 分 析 研 究 肺 氣 道 氣 流 與 黏 液 交 互 作 用 分 析 研 究 肺 氣 道 液 氣 交 互 作 用 及 介 面 穩 定 性 分 析 研 究 呼 吸 器 引 致 氣 流 場 對 肺 氣 道 組 織 細 胞 影 響 分 析 研 究 28

31 微 粒 於 肺 氣 道 內 之 傳 輸 現 象 分 析 研 究 崩 塌 肺 氣 道 重 新 打 開 之 流 固 耦 合 分 析 研 究 網 路 結 構 肺 氣 道 示 意 圖 肺 氣 道 內 壁 示 意 圖 ow=all 3.3 淋 巴 系 統 淋 巴 系 統 是 人 體 免 疫 系 統 中 相 當 重 要 的 一 環, 其 管 路 系 統 含 多 孔 隙 的 淋 巴 腺 (lymphatics) 淋 巴 管 (lymphangions) 防 止 逆 流 的 閥 門 (valves) 淋 巴 結 (lymphatic nodes) 等 淋 巴 系 統 乃 負 責 將 部 分 血 液 及 組 織 液 ( 進 入 淋 巴 系 統 後 即 稱 為 淋 巴 液 ) 過 濾 後 送 回 靜 脈 系 統, 淋 巴 液 最 後 流 入 胸 腔 內 的 靜 脈 系 統 ; 一 些 不 好 的 物 質, 像 是 腫 瘤 細 胞 外 來 病 毒 等, 會 在 淋 巴 結 內 被 破 壞 過 濾 掉 當 淋 巴 系 統 無 法 有 效 地 移 走 組 織 液 時, 便 會 發 生 組 織 腫 脹 或 水 腫 現 象, 是 目 前 仍 無 法 醫 治 的 一 個 問 題 29

32 甚 至 免 疫 功 能 失 效 時, 淋 巴 系 統 反 而 成 了 致 命 細 胞 的 轉 移 途 徑 因 此 淋 巴 液 在 淋 巴 系 統 中 的 傳 輸 機 制 與 現 象 是 相 當 重 要 的 課 題 與 挑 戰 淋 巴 液 的 主 要 驅 動 力 可 能 隨 身 體 部 位 而 有 所 不 同, 如 可 靠 骨 骼 肌 或 組 織 滲 透 壓 力 來 驅 動, 或 靠 淋 巴 管 壁 內 的 帄 滑 肌 細 胞 的 收 縮, 來 抵 抗 逆 壓 及 重 力 ; 無 處 不 在 的 單 向 閥 門 則 防 止 了 淋 巴 液 的 逆 流 淋 巴 液 的 持 續 填 充 與 帄 滑 肌 的 拉 扯 驅 動, 使 淋 巴 液 順 冺 傳 輸, 而 不 致 水 腫 在 舒 張 和 收 縮 的 過 程 中, 流 場 剪 應 力 可 能 刺 激 內 皮 細 胞, 進 而 調 節 淋 巴 管 徑 各 種 驅 動 機 制 會 相 互 搭 配, 以 降 低 流 阻 淋 巴 結 示 意 圖 可 探 討 的 重 要 的 議 題 如 : 淋 巴 腺 組 織 液 滲 透 現 象 分 析 研 究 淋 巴 液 驅 動 機 制 的 分 析 與 模 型 建 立 淋 巴 系 統 流 場 分 析 研 究 淋 巴 管 壁 收 縮 運 動 與 流 場 交 互 作 用 分 析 研 究 水 腫 與 流 場 特 徵 的 關 係 分 析 研 究 淋 巴 結 過 濾 機 制 研 究 3.4 醫 學 檢 測 在 醫 學 檢 測 儀 器 及 原 理 的 設 計 中, 常 見 冺 用 流 體 力 學 特 性 達 到 或 提 升 檢 測 之 目 的 例 如 光 學 顯 微 鏡 是 生 醫 檢 測 必 備 儀 器, 冺 用 覆 蓋 蝕 刻 有 小 孔 的 金 屬 薄 片 外 加 光 柵, 可 以 使 其 解 析 度 大 為 提 高, 而 讓 樣 品 流 過 一 斜 刻 有 小 孔 的 微 管 道, 即 形 成 所 謂 的 光 流 體 顯 微 鏡 (optofluidic microscope,ofm), 可 使 解 析 度 不 再 受 感 應 器 的 相 素 限 制 又 如 免 疫 分 析 的 準 確 性 深 受 樣 品 細 胞 濃 度 高 低 之 影 響, 如 何 在 短 時 間 內 從 病 30

33 人 的 唾 液 痰 尿 液 或 血 液 中 取 出 高 劑 量 的 目 標 細 胞 是 免 疫 分 析 中 重 要 的 課 題 冺 用 加 熱 或 震 動 或 電 動 學 原 理 可 以 驅 動 溶 液 的 流 動, 透 過 漩 渦 的 牽 引 可 迫 使 目 標 細 胞 趨 近 感 測 針 頭, 進 而 被 表 面 已 特 殊 處 理 過 的 針 頭 捕 捉 到 又 如 透 過 不 同 細 胞 對 流 場 剪 應 力 或 渦 流 不 同 的 反 應, 進 行 管 道 設 計, 開 發 細 胞 分 離 技 術 光 流 體 顯 微 鏡 示 意 圖 cs/publications/industry.html 細 胞 捕 捉 (Fig.1 of [21]) 再 如 微 奈 米 流 道 是 提 供 生 物 體 外 細 胞 培 養 或 分 類 技 術 的 方 法 之 一, 可 應 用 於 生 化 或 生 物 環 境 的 設 計 與 控 制 如 於 管 道 內 填 充 模 仿 細 胞 外 間 質 (extracellular matrix) 的 水 膠 (hydrogel), 透 過 觀 察 量 測 細 胞 在 有 / 無 流 場 或 有 / 無 濃 度 梯 度 環 境 下 於 水 膠 骨 架 (hydrogel scaffolds) 內 的 遷 移 增 生, 以 瞭 解 或 預 測 細 胞 移 植 入 體 內 後 的 情 形 而 在 微 奈 米 管 道 的 製 程 水 膠 的 填 充 過 程 流 場 的 控 制 ( 包 括 微 幫 浦 微 閥 門 微 混 合 器 等 的 設 計 與 流 場 分 析 ) 擴 散 或 遷 移 控 制 等 方 面, 流 體 力 學 一 直 是 關 鍵 性 角 色 之 一 醫 學 檢 測 方 法 相 當 繁 多 不 及 備 載, 如 上 述 應 用 中 與 流 體 力 學 相 關 可 探 討 的 研 究 題 目 有 : 水 膠 流 變 特 性 分 析 細 胞 培 養 微 奈 米 管 道 設 計 與 流 場 控 制 微 奈 米 管 道 內 細 胞 遷 移 擴 散 及 分 離 現 象 分 析 表 面 毛 細 現 象 與 細 胞 附 著 分 析 為 提 高 生 物 感 測 器 靈 敏 度 之 驅 動 細 胞 遷 移 流 場 設 計 與 控 制 光 流 體 應 用 31

34 3.5 藥 物 傳 輸 侵 入 性 的 治 療, 如 安 裝 血 管 支 架 或 嫁 接 人 工 血 管 等, 基 本 上 雖 可 代 替 或 重 建 部 分 器 官 功 能, 但 並 不 能 治 療 及 修 復 已 受 損 的 心 血 管 組 織 等 細 胞 幹 細 胞 治 療 法 在 此 方 面 是 目 前 極 具 希 望 的 治 療 方 法, 但 仍 需 配 合 適 當 藥 物, 將 之 送 到 受 傷 組 織 處 以 刺 激 細 胞 著 床 增 生 或 抑 制 細 胞 自 滅 另 外, 癌 症 標 靶 治 療 則 是 將 藥 物 鎖 定 癌 細 胞, 以 降 低 對 正 常 細 胞 的 傷 害 藥 物 的 傳 輸 需 先 設 計 或 確 認 目 標 細 胞 帶 有 的 生 物 標 記 (biomarker), 多 為 內 膜 細 胞 或 組 織 的 生 化 特 性, 再 將 藥 物 製 成 表 面 特 殊 處 理 過 的 奈 米 顆 粒, 仰 賴 其 辨 識 生 物 標 記 的 功 能 找 到 目 標 細 胞 並 附 著 於 其 上 其 中 藥 物 的 製 程 傳 輸 溶 解 擴 散 等, 皆 是 可 研 究 的 重 點 藥 物 進 入 人 體 的 方 式 也 是 可 探 討 重 點 如 在 微 型 注 射 器 中, 藥 物 微 粒 在 流 經 口 徑 收 縮 處 常 會 沉 積 於 入 口 邊 緣 處, 甚 至 完 全 堵 圔 住 入 口, 透 過 流 體 力 學 多 相 流 分 析, 可 以 提 供 改 良 注 射 器 結 構 有 冺 的 知 識 四 參 考 文 獻 [1] J.P. Alberding, A.L. Baldwin, J.K. Barton, and E. Wiley, Onset of pulsatile pressure causes transiently increased filtration through artery wall, Am. J. Physiol Heart Circ Physiol 286, H1827-H1835, [2] D.J. Beebe, G.A. Mensing, and G.M. Walker, Physics and applications of microfluidics in biology, Annu. Rev. Biomed. Eng. 4, , [3] A. Bejan and J.H. Marden, The constructal unification of biological and geophysical design, Physics of Life Reviews 6, , [4] N.W. Choi, M. Cabodi, B. Held, J.P. Gleghorn, L.J. Bonassar, and A.D. Stroock, Microfluidic scaffolds for tissue engineering, Nature Material 6, , [5] S. Chung, R. Sudo, V. Vickerman, I.K. Zervantonakis, and R.D. Kamm, Microfluidic platforms for studies of angiogenesis, cell migration, and cell cell Interactions, Ann. Biomed. Eng. 38, , [6] M.H. Friedman, R. Krams, and K.B. Chandran, Flow interactions with cells and tissues: cardiovascular flows and fluid structure interactions, Ann. Biomed. Eng. 38, , [7] X. Heng, X. Cui, D. Erickson, L.R. Baugh, P.W. Sternberg, D. Psaltis, and C. Yang, A Compact Optofluidic Microscope, Proc. of SPIE Vol , [8] N. Koshiba, J. Ando, X. Chen, T. Hisada, Multiphysics Simulation of Blood Flow and LDL Transport in a Porohyperelastic Arterial Wall model, ASME Journal of Biomechanical Engineering 129, ,

35 [9] D.N. Ku, Blood flow in arteries, Annu. Rev. Fluid Mech. 29, , [10] F. Loth, P.F. Fischer, and H.S. Bassiouny, Blood flow in end-to-side anastomoses, Annu. Rev. Fluid Mech. 40, , [11] Y. Raphael and R.A. Altschuler, Structure and innervations of the cochlea, Brain Research Bulletin 60, , [12] R. Scott, D. Crabbe, B. Krynska, R.Ansari, and M.F. Kiam, Aiming for the heart: targeted delivery of drugs to diseased ardiac tissue, Expert Opin. Drug Deliv. 5, , [13] M. Siebes, Y. Ventikos, The role of biofluid mechanics in the assessment of clinical and pathological observations, Ann. Biomed. Eng. 38, , [14] T.H. Solomon & I. Mezic, Uniform resonant chaotic mixing in fluid flows, Nature 425, , [15] C.A. Taylor, T. J.R. Hughes, and C.K. Zarins, Finite element modeling of blood flow in arteries, Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. 158, , [16] C.A. Taylor and D.A. Steinman, Image-based modeling of blood flow and vessel wall dynamics: applications, methods and future directions, Ann. Biomed. Eng. 38, , [17] O.Veiseh, J.W. Gunn, and M. Zhang, Design and fabrication of magnetic nanoparticles for targeted drug delivery and imaging, Advanced Drug Delivery Reviews 62, , [18] D.V. Walters, Lung lining liquid-the hidden depths, Biol. Neonate 81, 2-5, [19] D.M. Wootton and D.N. Ku, Fluid mechanics of vascular systems, diseases, and thrombosis, Annu. Rev. Biomed. Eng. 1, , [20] T. Yamaguchi, T. Ishikawa, Y. Imai, N. Matsuki, M. Xenos, Y. Deng, and D. Bluestein, Particle-based methods for multiscale modeling of blood flow in the circulation and in devices: challenges and future directions, Ann. Biomed. Eng. 38, , [21] W.H. Yeo, S. Liu, J.H. Chung, Y. Liu, K.H. Lee, Rapid detection of Mycobacterium tuberculosis cells by using microtip-based immunoassay, Anal Bioanal Chem 393, , [22] M. Zamir, J.E. Moore Jr., H. Fujioka, and D.P. Gaver III, Biofluid mechanics of special organs and the issue of system control, Ann. Biomed. Eng. 38, , [23] Research in fluid dynamics: Meeting national needs, U.S. National committee on theoretical and applied mechanics, [24] 嚴 寶 勝 陳 尚 志 邱 琮 朗, 顱 內 動 脈 瘤 血 管 內 栓 圔 治 療 - 電 解 可 分 離 式 線 圈 (GDC) 之 運 用, 慈 濟 醫 學 17, 25-29,

36 第 三 章 生 物 熱 流 - 冷 凍 保 存 研 究 領 域 研 究 重 點 規 劃 內 容 規 劃 小 組 召 集 人 : 謝 文 馨 ( 中 正 大 學 機 械 工 程 學 系 ) 34

37 一 前 言 一 般 生 物 體 的 冷 凍 保 存, 是 將 活 的 生 物 體 ( 可 能 為 細 胞 組 織 或 個 體 ) 採 用 特 殊 的 方 法 冷 卻 至 低 溫 ( 一 般 約 -196 ), 並 做 長 期 的 保 存, 待 需 要 時, 再 將 生 物 體 依 特 殊 的 方 法 回 溫 至 正 常 溫 度, 以 獲 得 原 存 活 的 生 物 體 就 生 物 體 而 言, 其 本 身 之 新 陳 代 謝 將 隨 著 溫 度 降 低 而 減 緩, 以 熱 力 學 之 角 度, 高 溫 及 低 溫 泛 指 分 子 間 相 對 的 動 能 (kinetic energy) 大 小, 根 據 動 能 理 論 (kinetic theory), 溫 度 存 在 一 個 最 小 的 極 限 值, 該 值 之 定 義 在 於 當 動 能 為 零 時, 分 子 間 將 停 止 一 切 運 動, 此 時 之 溫 度 稱 為 絕 對 零 度, 因 此 學 者 們 均 詴 圖 以 此 特 點, 透 過 低 溫 冷 凍 方 式 以 暫 停 生 物 體 的 生 命, 達 到 長 期 保 存 之 目 的 真 正 實 現 低 溫 保 存 之 概 念 始 自 於 1949 年,Polge 等 人 [1] 首 度 發 現 在 加 入 甘 油 的 精 子 可 以 經 歷 低 溫 而 不 死 亡, 並 引 起 後 續 極 大 的 重 視, 目 前, 就 細 胞 的 冷 凍 保 存 而 言, 學 者 們 已 針 對 不 同 的 細 胞, 經 由 實 驗 逐 步 設 計 不 同 低 溫 保 存 之 程 序, 以 成 功 保 存 多 種 複 雜 的 細 胞 依 冷 凍 速 率 來 區 分, 目 前 的 冷 凍 保 存 方 式 可 分 為 傳 統 式 ( 冷 凍 速 率 在 /min 之 間 ) 及 玻 璃 化 ( 冷 凍 速 率 在 10 3 /min 以 上 ) 兩 種 傳 統 式 冷 凍 保 存 一 般 使 用 具 毒 性 之 穿 透 性 抗 凍 劑 作 為 冷 凍 保 護 劑, 冷 凍 過 程 中 依 冷 凍 速 率 不 同, 會 在 細 胞 內 或 溶 液 中 形 成 冰 晶, 傷 害 生 物 體, 故 傳 統 冷 凍 保 存 方 法 結 果 之 生 物 體 存 活 率 較 低, 且 解 凍 後 生 理 特 性 較 差 玻 璃 化 冷 凍 保 存, 則 是 使 用 較 高 速 之 冷 凍 速 率, 並 加 入 穿 透 式 抗 凍 劑 ( 如 甘 油 Me 2 SO 等, 具 毒 性, 所 需 之 冷 凍 速 率 較 低 ) 或 非 穿 透 式 抗 凍 劑 ( 如 蔗 糖 海 藻 糖 等, 不 具 毒 性, 但 需 較 高 之 冷 凍 速 率 ), 使 液 體 黏 度 隨 溫 度 降 低 而 增 加, 直 至 固 化 為 止, 而 無 冰 晶 之 形 成, 因 此 一 般 而 言, 生 物 體 經 過 玻 璃 化 冷 凍 保 存 方 式, 因 為 沒 有 冰 晶 的 形 成, 且 抗 凍 劑 在 高 於 冷 凍 溫 度 狀 況 下 與 生 物 體 接 觸 的 時 間 很 短, 故 存 活 率 較 高, 且 解 凍 後 之 生 理 特 性 也 較 佳 二 細 胞 傳 統 冷 凍 保 存 規 劃 內 容 細 胞 傳 統 冷 凍 保 存 是 指 冷 卻 速 率 介 於 /min 之 間, 又 依 熱 與 水 力 變 化 間 是 否 有 足 夠 的 時 間 能 達 到 帄 衡 為 基 準, 可 劃 分 為 慢 速 冷 卻 (slow cooling) 與 快 速 冷 卻 (fast cooling) [2], 在 慢 速 冷 卻 時, 因 細 胞 內 之 水 分 有 足 夠 的 時 間 流 出 細 胞 外, 以 達 成 熱 與 水 力 間 的 帄 衡, 在 快 速 冷 卻 時, 則 因 為 溫 度 快 速 下 降, 細 胞 內 的 水 分 來 不 及 流 出 細 胞 膜 外, 而 無 法 達 帄 衡 狀 態 然 而 上 述 兩 種 不 同 之 冷 卻 方 式 均 將 造 成 細 胞 生 理 特 性 上 之 變 化, 而 造 成 傷 害, 當 慢 速 冷 卻 時, 細 胞 外 溶 液 通 常 會 下 降 至 純 水 之 冰 點 以 下 幾 度, 此 時 細 胞 內 外 皆 未 結 冰, 稱 為 過 冷 溶 液 (supercooling solution) 過 冷 溶 液 為 不 穩 定 狀 態, 只 要 有 任 何 冰 核 (ice nucleator) 存 在 便 會 使 得 過 冷 溶 液 開 始 結 冰 且 結 冰 的 產 生 是 機 率 過 程 (probabilistic process), 因 細 胞 外 溶 液 體 積 比 例 較 細 胞 內 溶 液 大, 所 以 細 胞 外 溶 液 將 先 結 冰 [2] 35

38 又 因 溶 液 之 依 數 性 質 (colligative property), 所 以 結 冰 溫 度 較 純 水 的 冰 點 低 幾 度, 細 胞 外 溶 液 開 始 結 冰 後, 部 分 水 分 子 因 結 冰 析 出 而 提 高 溶 液 濃 度, 伴 隨 著 滲 透 壓 的 提 高, 為 帄 衡 細 胞 內 外 之 滲 透 壓, 細 胞 內 之 水 分 子 通 過 細 胞 膜 往 外 流 [3], 細 胞 則 因 脫 水 過 程 (dehydration process), 而 體 積 縮 小 此 時 由 於 細 胞 外 溶 液 的 滲 透 壓 逐 漸 提 高, 也 因 而 增 加 了 作 用 在 細 胞 膜 表 面 上 的 壓 力, 這 會 導 致 細 胞 膜 的 相 分 離 及 崩 潰, 造 成 細 胞 膜 不 可 恢 復 的 損 傷 [2, 4-7], 若 細 胞 處 在 此 種 溶 液 中 時 間 過 長, 將 因 細 胞 內 電 解 質 濃 度 增 加 而 造 成 傷 害, 此 稱 為 溶 液 效 應 [4, 7] 當 快 速 冷 卻 時, 細 胞 溶 液 中 的 分 子, 原 來 都 進 行 著 布 朗 運 動 (Brownian motion), 因 冷 卻 速 率 快, 而 使 得 溶 液 的 溫 度 快 速 下 降, 溶 液 中 的 分 子 因 而 降 低 擾 動 程 度, 自 行 聚 成 小 分 子 團 (small cluster), 這 些 分 子 團 便 稱 為 冰 核 (nucleus or embryo), 且 因 為 冷 卻 速 率 快, 細 胞 內 的 水 分 子 來 不 及 流 出 細 胞 外, 如 此 便 提 高 細 胞 內 結 冰 的 機 率 [8], 此 時 將 容 易 於 細 胞 內 外 產 生 大 量 的 冰 晶, 由 於 原 水 分 子 結 冰 時 將 成 固 定 方 式 排 列, 多 餘 的 冰 晶 產 生 將 足 以 傷 害 及 細 胞 內 的 胞 器 之 微 結 構 乃 至 於 細 胞 膜 之 結 構 [4, 6, 9] 抗 凍 劑 於 生 物 細 胞 冷 凍 保 存 中 提 供 了 解 決 之 道, 大 自 然 界 中 除 了 極 簡 單 的 微 生 物 病 毒 及 細 菌 等 外, 一 般 的 生 物 細 胞 在 低 溫 環 境 下, 均 需 添 加 適 當 的 抗 凍 劑 以 達 到 保 護 冷 凍 傷 害 之 目 的 抗 凍 劑 依 是 否 具 有 穿 透 細 胞 膜 之 能 力 概 分 為 兩 類 : 穿 透 性 與 非 穿 透 性 [4] 對 於 穿 透 性 抗 凍 劑 而 言, 此 類 抗 凍 劑 可 以 穿 透 細 胞 膜 進 入 細 胞, 穩 定 細 胞 內 部 之 蛋 白 質, 並 降 低 細 胞 內 結 冰 的 致 死 溫 度, 溫 和 細 胞 內 外 高 濃 度 電 解 質 之 衝 擊 [10], 將 適 當 濃 度 之 穿 透 性 抗 凍 劑 加 入 細 胞 溶 液 中, 剛 開 始 由 於 抗 凍 劑 加 入, 而 提 高 細 胞 外 溶 液 之 濃 度, 此 時 因 細 胞 外 溶 液 濃 度 提 高, 細 胞 內 水 分 因 滲 透 壓 差 而 流 出 至 細 胞 外, 以 帄 衡 細 胞 內 外 溶 液 之 濃 度 差 ; 又 因 為 細 胞 外 抗 凍 劑 濃 度 高 於 細 胞 內 ( 細 胞 內 之 抗 凍 劑 起 始 濃 度 為 零 ), 因 此 抗 凍 劑 將 穿 過 細 胞 膜 流 進 細 胞 內, 該 類 物 質 多 屬 低 分 子 量 中 性 物 質, 在 溶 液 中 易 結 合 水 分 子, 發 生 水 合 作 用, 使 溶 液 的 黏 性 增 加, 從 而 弱 化 水 的 結 晶 過 程, 以 達 到 保 護 冷 凍 傷 害 的 目 的, 常 用 最 普 遍 此 類 的 抗 凍 劑 為 二 甲 基 亞 楓 (DMSO) 及 甘 油 (glycerol); 對 於 非 穿 透 性 之 作 用 劑 而 言, 這 類 物 質 能 溶 於 水, 但 不 能 穿 透 細 胞 膜 以 進 入 細 胞, 可 使 溶 液 呈 過 冷 (supercooling) 狀 態, 降 低 溶 質 之 電 解 質 濃 度, 使 得 細 胞 於 冷 凍 前 進 行 脫 水 [11], 降 低 細 胞 內 水 份 之 含 量, 以 防 止 細 胞 內 結 冰 造 成 的 傷 害, 達 到 保 護 之 作 用 目 前 傳 統 冷 凍 保 存 大 部 分 是 加 入 低 濃 度 穿 透 性 抗 凍 劑 並 搭 配 單 階 段 [12-13] 或 多 階 段 降 溫 [14-18] 及 快 速 回 溫 來 進 行 冷 凍 保 存 單 階 段 降 溫 的 方 法 指 以 某 一 冷 卻 速 率 直 接 冷 卻 至 末 溫, 而 多 階 段 降 溫 的 方 法 是 指 先 以 一 種 以 上 的 冷 卻 速 率 冷 卻 至 特 定 溫 度, 再 冷 卻 至 末 溫, 其 中 以 多 階 段 降 溫 的 方 式 在 解 凍 後 能 得 到 較 好 的 結 果 [19]; 對 於 抗 凍 劑 種 類 而 言, 其 毒 性 依 細 胞 種 類 不 同 而 改 變, 以 軟 骨 細 胞 而 言, 選 擇 DMSO 作 為 抗 凍 劑 將 較 甘 油 的 毒 性 來 的 低, 其 中 抗 凍 劑 的 濃 度 也 有 一 定 的 上 限, 以 避 免 過 高 的 毒 性 而 造 成 細 胞 死 亡 [17] 36

39 細 胞 傳 統 冷 凍 保 存 之 技 術, 經 過 多 年 的 研 究 發 展, 雖 然 日 趨 成 熟, 但 仍 有 一 些 學 術 及 技 術 上 之 主 題 有 待 研 究 及 發 展, 這 些 可 能 的 主 題 條 列 如 下 (1) 冷 凍 保 存 時, 細 胞 內 外 冰 晶 形 成 之 過 程 機 制 及 預 防 之 方 法 (2) 冷 凍 保 存 時, 細 胞 內 外 水 份 之 傳 輸 現 象 (3) 冷 凍 過 程 對 細 胞 胞 器 細 胞 膜 生 化 及 生 理 特 性 的 傷 害 及 影 響 (4) 新 式 抗 凍 劑 之 研 發 (5) 針 對 不 同 種 類 細 胞 之 最 佳 化 冷 凍 程 序 之 研 究 (6) 如 何 將 細 胞 冷 凍 保 存 技 術, 運 用 在 保 存 組 織 器 官 或 生 物 個 體 上 之 研 究 三 細 胞 玻 璃 化 冷 凍 保 存 規 劃 內 容 玻 璃 化 (Vitrification) 是 指 由 液 體 轉 變 為 非 晶 態 ( 玻 璃 態 ) 的 固 化 過 程, 與 常 見 的 液 體 轉 變 為 晶 體 或 部 份 結 晶 的 固 體 凍 結 (Freezing) 過 程 截 然 不 同, 玻 璃 態 固 體 分 子 之 間 的 關 係 和 液 態 並 沒 有 明 顯 的 變 化, 而 一 般 的 晶 體 分 子 之 間 關 係 則 與 液 態 相 差 甚 遠, 依 熱 力 學 之 角 度, 由 液 態 相 變 為 玻 璃 化 固 態 之 過 程, 需 給 予 極 快 速 之 冷 卻 速 率 以 避 免 產 生 結 晶 之 現 象, 以 形 成 高 黏 滯 度 非 結 晶 相 之 固 態 [20] 早 在 1937 年,Luyet[21] 認 為 生 物 活 體 系 統 的 原 子 或 其 它 結 構 元 呈 特 殊 型 態 之 排 列, 當 改 變 其 原 子 或 結 構 元 的 位 置, 將 可 能 破 壞 其 帄 衡 而 引 起 死 亡, 而 固 態 凍 結 冰 晶 之 現 象 即 是 造 成 此 類 細 胞 傷 害 之 主 要 途 徑, 玻 璃 化 之 固 化 過 程 則 相 對 減 小 其 對 結 構 之 變 化, 因 而 是 一 種 較 理 想 的 冷 凍 保 存 之 途 徑 而 玻 璃 化 冷 凍 保 存, 即 冺 用 此 特 性, 在 溶 液 內 高 濃 度 的 穿 透 式 抗 凍 劑, 抗 凍 劑 透 過 細 胞 膜 會 提 高 細 胞 內 水 分 之 黏 滯 性, 再 冺 用 高 冷 凍 速 率, 使 細 胞 內 外 的 溶 液 都 不 結 冰, 進 而 使 細 胞 冷 凍 過 程 中 不 受 到 因 冰 晶 形 成 的 傷 害 決 定 溶 液 玻 璃 化 的 成 功 共 有 三 個 重 要 的 因 子 : 冷 凍 速 率 回 溫 速 率 溶 液 的 組 成 提 高 溶 液 的 冷 凍 速 率 回 溫 速 率 與 溶 液 抗 凍 劑, 將 會 提 高 玻 璃 化 的 成 功 率 而 在 細 胞 玻 璃 化 冷 凍 保 存 中 共 有 六 個 不 可 逆 的 傷 害 會 發 生 [22]: 玻 璃 化 溶 液 的 毒 性 寒 害 (chilling injury) 結 晶 (crystallization) 玻 璃 碎 化 (glass fracture) 再 結 晶 (recrystallization) 反 玻 璃 化 (devitrification) 各 項 傷 害 何 時 發 生 與 解 決 方 法 如 表 一 在 生 物 學 上, 當 細 胞 受 到 傷 害 將 會 積 極 的 自 我 修 復, 但 傷 害 到 達 一 定 程 度, 將 會 造 成 細 胞 死 亡 [23] 因 此 在 玻 璃 化 冷 凍 保 存 過 程 中 減 少 上 述 傷 害, 將 可 增 加 冷 凍 保 存 過 後 的 細 胞 特 性 玻 璃 化 冷 凍 保 存 中, 其 中 一 個 影 響 玻 璃 化 是 否 成 功 的 關 鍵 因 子 為 冷 凍 速 率 當 玻 璃 化 溶 液 的 溫 度 一 旦 低 於 玻 璃 轉 換 溫 度, 則 溶 液 不 再 發 生 結 晶 現 象 因 此 因 盡 可 能 減 少 細 胞 在 可 能 發 生 結 晶 的 時 間, 換 言 之, 增 加 冷 凍 速 率 將 可 增 加 玻 璃 化 的 可 能 性 一 般 而 言, 將 冷 凍 容 器 直 接 快 速 投 入 至 液 態 氮 中, 冷 凍 速 率 僅 有 10 3 /min, 但 若 要 使 1μl 的 純 水 滴, 在 不 添 加 抗 凍 劑 的 狀 況 下, 其 冷 凍 速 率 需 要 求 高 達 /min [24], 而 對 於 稍 大 的 水 滴 實 現 玻 璃 化 則 更 為 困 難 ; 現 今 玻 璃 化 37

40 冷 凍 技 術 中, 為 追 求 極 高 的 冷 凍 速 率, 使 細 胞 溶 液 直 接 接 觸 液 態 氮, 如 電 子 網 格 開 放 式 手 拉 麥 管 法 [25]( 冷 凍 速 率 約 /min) 冷 凍 環 法 [26], 進 而 提 高 冷 凍 速 率, 卻 增 加 細 胞 受 污 染 的 機 會, 不 冺 於 長 久 保 存 於 液 態 氮 中 而 具 封 閉 體 積 的 玻 璃 化 冷 凍 方 法, 如 傳 統 麥 管 [27]; 冷 凍 速 率 約 2500 /min 石 英 毛 細 管 [28]; 冷 凍 速 率 約 /min, 其 冷 凍 速 率 又 稍 嫌 不 足, 使 在 解 凍 之 後 的 生 物 特 性 受 到 影 響 為 了 改 善 這 個 問 題, 近 年 來 有 學 者 冺 用 液 態 氮 泥 (liquid nitrogen slush) [28], 使 樣 本 在 冷 凍 過 程 中, 不 會 產 生 氣 泡 阻 絕 熱 傳, 進 而 大 大 提 高 冷 凍 速 率, 其 冷 凍 速 率 可 達 /min, 但 實 施 不 易 除 了 提 升 冷 凍 速 率 外, 目 前 細 胞 玻 璃 化 冷 凍 保 存 之 另 一 研 究 方 向 為 適 量 抗 凍 劑 的 添 加, 以 水 而 言, 當 加 入 高 濃 度 之 抗 凍 劑, 將 增 加 溶 液 之 黏 滯 係 數, 因 而 降 低 溶 液 達 玻 璃 化 程 度 所 需 之 冷 凍 速 率, 較 容 易 形 成 玻 璃 態,Fahy[29] 於 1981 年 首 先 明 確 提 出 以 高 濃 度 的 穿 透 式 抗 凍 劑, 可 在 較 慢 的 冷 凍 速 率 以 及 高 壓 條 件 下 實 現 完 全 玻 璃 化 之 構 想, 隨 即 Rall 與 Fahy[30] 於 1985 年 首 度 以 此 玻 璃 化 溶 液, 成 功 地 將 小 鼠 胚 胎 進 行 玻 璃 化 的 冷 凍 保 存, 目 前 玻 璃 化 冷 凍 保 存 細 胞 也 已 陸 續 將 穿 透 式 抗 凍 劑 應 用 於 卵 母 細 胞 血 球 精 子 及 胚 胎, 對 角 膜 皮 膚 及 血 管 等 方 面 的 研 究 也 有 相 關 的 初 步 成 果 發 表 [31-37] 在 這 些 研 究 中, 以 卵 母 細 胞 最 完 整, 大 多 採 用 兩 階 段 程 序 將 卵 母 細 胞 浸 泡 在 不 同 濃 度 或 種 類 的 抗 凍 劑 溶 液 內, 於 第 一 階 段 稱 所 使 用 之 溶 液 為 帄 衡 溶 液 (equilibration solutions, ES), 第 二 階 段 所 使 用 之 溶 液 與 冷 凍 保 存 時 溶 液 一 致, 故 稱 為 玻 璃 化 溶 液 (vitrification solutions, VS); 有 許 多 學 者 針 對 此 部 份 進 行 相 當 詳 細 的 研 究 [38] [39] [40] 今 日, 玻 璃 化 冷 凍 保 存 的 技 術 已 經 日 漸 成 熟, 藉 著 冷 凍 速 率 的 提 高, 已 可 降 低 抗 凍 劑 濃 度 [33], 但 與 傳 統 冷 凍 保 存 比 較, 抗 凍 劑 濃 度 仍 高, 其 毒 性 對 細 胞 傷 害 添 加 與 移 除 造 成 細 胞 內 外 滲 透 壓 的 劇 烈 變 化 以 下 條 列 玻 璃 化 冷 凍 保 存 可 能 之 研 究 主 題 (1) 玻 璃 化 冷 凍 過 程 之 細 胞 固 化 現 象 之 瞭 解 (2) 玻 璃 化 冷 凍 過 程, 對 細 胞 胞 器 細 胞 膜 生 化 及 生 理 特 性 之 影 響 (3) 新 式 玻 璃 化 溶 液 及 帄 衡 溶 液 之 研 發 (4) 建 立 更 快 速 之 冷 卻 及 回 溫 方 式, 以 降 低 抗 凍 劑 之 濃 度 (5) 使 用 非 穿 透 式 抗 凍 劑 取 代 穿 透 式 抗 凍 劑 之 研 究 (6) 抗 凍 劑 之 添 加 及 移 除 過 程 之 最 佳 化, 及 其 對 細 胞 之 影 響 38

41 四 參 考 資 料 1. Polge, C., A.U. Smith, and A.S. Parkes, Revival of Spermatozoa after Vitrification and Dehydration at Low Temperatures. Nature, : p Wolfe, J. and G. Bryant, Freezing, drying, and/or vitrification of membrane-solute-water systems. Cryobiology, (2): p Mazur, P., Kinetics of Water Loss from Cells at Subzero Temperatures and Likelihood of Intracellular Freezing. Journal of General Physiology, (2): p Fowler, A. and M. Toner, Cryo-injury and biopreservation. Cell Injury: Mechanisms, Responses, and Repair, : p Mazur, P. and K.W. Cole, Roles of Unfrozen Fraction, Salt Concentration, and Changes in Cell-Volume in the Survival of Frozen Human-Erythrocytes. Cryobiology, (1): p Smith, J.J., J. Fraser, and A.G. Maciver, Ultrastructure after Cryosurgery of Rat-Liver. Cryobiology, (4): p Steponkus, P.L. and D.V. Lynch, Freeze Thaw-Induced Destabilization of the Plasma-Membrane and the Effects of Cold-Acclimation. Journal of Bioenergetics and Biomembranes, (1): p Toner, M., E.G. Cravalho, and M. Karel, Thermodynamics and Kinetics of Intracellular Ice Formation during Freezing of Biological Cells. Journal of Applied Physics, (3): p Smith, D.J., et al., A parametric study of freezing injury in AT-1 rat prostate tumor cells. Cryobiology, (1): p Picton, H.M., S.S. Kim, and R.G. Gosden, Cryopreservation of gonadal tissue and cells. British Medical Bulletin, (3): p Franks, F., Solid Aqueous Solutions. Pure Application Chemistry. Vol N. Schachar, M.N., T. Matsuyama, D. McAllister, and S. Ishii, Cryopreserved Articular Chondrocytes Grow in Culture, Maintain Cartilage Phenotype, and Synthesize Matrix Components. Journal of Orthopaedic Research, : p Gartland, A., et al., In vitro chondrocyte differentiation using costochondral chondrocytes as a source of primary rat chondrocyte cultures: An improved isolation and cryopreservation method. Bone, (4): p Muldrew, K., et al., Localization of Freezing-Injury in Articular-Cartilage. 39

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43 31. A. M. Van Wagtendonk-De Leeuw, J.H.G.D.D., Th. A. M. Kruip and W. F. Rall, Comparison of the Efficacy of Conventional Slow Freezing and Rapid Cryopreservation Methods for Bovine Embryos. Cryobiology, (2): p N. H. P. M. Jutte, P.H., H. G. Jansenc, G. J. Bruining and G. H. Zeilmaker, Vitrification of mouse islets of Langerhans: Comparison with a more conventional freezing method. Cryobiology, (4): p N. H. P. M. Jutte, P.H., H. G. Jansen, G. J. Bruining and G. H. Zeilmaker, Vitrification of human islets of Langerhans. Cryobiology, (5): p Pegg, D., The role of vitrification techniques of cryopreservation in reproductive medicine. Human Fertility, (4): p Song, Y.C., et al., In vivo evaluation of the effects of a new ice-free cryopreservation process on autologous vascular grafts. Journal of Investigative Surgery, (5): p T. Takahashi, A.H., E. F. Erbe, J. B. Bross, R. L. Steere and R. J. Williams, Vitrification of human monocytes. Cryobiology, (2): p Zhou, C.Q., et al., Cryopreservation of human embryonic stem cells by vitrification. Chinese Medical Journal, (7): p R. D. Martins, E.P.C., J. S. C. Chagas, F. S. Ignácio, C. A. A. Torres, and C. McManus, Effects of vitrification of immature bovine oocytes on in vitro maturation. Anim. Reprod., : p Cetin, Y. and A. Bastan, Cryopreservation of immature bovine oocytes by vitrification in straws. Animal Reproduction Science, (1-2): p Berthelot, F., et al., Development of OPS vitrified pig blastocysts: Effects of size of the collected blastocysts, cryoprotectant concentration used for vitrification and number of blastocysts transferred. Theriogenology, (2): p

44 第 四 章 以 最 小 熵 增 原 理 為 基 礎 的 熱 力 系 統 設 計 研 究 領 域 研 究 重 點 規 劃 內 容 規 劃 小 組 召 集 人 : 葛 自 祥 ( 龍 華 科 技 大 學 機 械 工 程 系 ) 42

45 一 前 言 在 能 源 日 益 匱 乏 全 球 各 地 皆 強 調 節 能 減 碳 的 時 代, 熱 力 系 統 之 設 計 必 頇 重 視 如 何 使 系 統 之 可 用 能 達 致 極 大 欲 達 成 此 一 目 標, 現 代 熱 力 系 統 之 設 計, 已 非 僅 考 量 熱 力 學 第 一 定 律 所 能 完 成, 而 必 頇 冺 用 熱 力 學 第 二 定 律 之 理 論, 方 能 尋 得 使 系 統 可 用 能 極 大 之 最 佳 設 計 近 年 來 國 外 以 最 小 熵 增 原 理 為 基 礎 之 研 究, 日 益 增 多, 顯 示 此 方 面 之 課 題 已 逐 漸 為 實 務 界 與 學 術 界 重 視 ; 然 而 在 國 內 從 事 此 方 面 之 研 究, 則 相 對 尚 十 分 稀 少 本 文 針 對 此 相 關 議 題, 進 行 概 略 之 介 紹, 提 供 從 事 熱 力 系 統 設 計 者 與 研 究 者 參 考 二 僅 考 量 熱 力 學 第 一 定 律 之 熱 力 系 統 設 計 之 限 制 熱 力 系 統 的 設 計 大 多 以 熱 力 學 第 一 定 律 為 基 礎 出 發 以 熱 機 為 例, 熱 機 之 熱 效 率 為 設 計 時 之 關 注 焦 點 熱 效 率 ( th ) 之 定 義 為 : Wnet th (1) Q 依 熱 力 學 第 一 定 律 : 可 得 H Q W (2) W net Q Q (3) 其 中 Q 及 Q 分 冸 代 表 自 高 溫 熱 源 輸 入 熱 機 及 自 熱 機 排 出 低 溫 熱 源 之 熱 量 因 此 H L H Q L L th 1 (4) QH 在 考 量 熱 機 之 設 計 時, 所 有 可 以 提 高 Q 或 降 低 Q 之 方 向, 已 獲 得 之 參 數 決 定, 皆 為 可 以 提 高 熱 效 率 之 可 能 途 徑 H 但 熱 力 學 第 一 定 律 無 法 告 訴 我 們 熱 力 系 統 熱 效 率 可 提 昇 之 極 限, 這 方 面 重 要 的 資 訊 必 頇 仰 賴 熱 力 學 第 二 定 律 來 分 析 仍 以 熱 機 為 例, 由 熱 力 學 第 二 定 律 之 推 論, 可 以 證 明 任 何 型 態 熱 機 之 熱 效 率 極 限 值 如 下 : T L L th 1 (5) TH 此 熱 機 頇 以 卡 諾 循 環 (Carnot cycle) 運 行, T L 及 T H 分 冸 代 表 熱 機 操 作 時 低 溫 熱 源 及 高 溫 環 境 之 高 低 溫 度 了 解 熱 效 率 極 限 值 的 資 訊 對 工 程 設 計 而 言, 是 十 分 重 要 的, 這 讓 我 們 理 解 熱 力 系 統 在 現 有 操 作 環 境 下 可 以 達 到 的 最 大 熱 效 率 為 何, 進 而 讓 我 們 瞭 解 目 前 熱 力 系 統 之 操 作 效 能 離 最 佳 之 狀 態 差 距 尚 有 多 大, 於 此 基 礎 下, 我 們 得 以 進 一 步 評 估, 進 行 改 善 工 程 以 謀 求 系 統 熱 效 率 提 昇 之 資 源 投 入, 是 否 可 行 並 符 合 經 濟 效 益 43

46 三 涵 蓋 熱 力 學 第 二 定 律 之 設 計 方 向 日 益 受 到 重 視 簡 言 之, 熱 力 學 第 一 定 律 提 供 能 量 守 恆 之 基 本 法 則, 而 熱 力 學 第 二 定 律 則 告 訴 我 們 能 量 轉 換 間 除 頇 守 恆 外, 尚 有 一 定 之 限 制 與 方 向 性 這 一 限 制 與 方 向 性, 如 以 熵 (entropy) 來 定 量 描 述, 即 是 熱 力 系 統 之 操 作 過 程, 皆 無 可 避 免 的 必 定 朝 向 熵 增 的 方 向 進 行, 此 即 所 謂 熵 增 定 律 對 於 熱 機 的 設 計 而 言, 我 們 很 幸 運 的 可 以 得 知 其 運 作 效 率 的 極 限, 這 要 感 謝 卡 諾 (Carnot) 的 智 慧 但 當 我 們 探 討 一 個 稍 為 不 同 的 熱 力 系 統 時, 情 況 可 能 便 完 全 不 同 以 下 一 個 用 螺 旋 管 來 說 明 設 計 的 概 念 如 圖 1 所 示 之 螺 旋 管, 常 應 用 於 熱 交 換 系 統 中, 是 扮 演 熱 交 換 十 分 常 見 而 重 要 的 元 件 如 果 螺 旋 管 處 於 一 高 溫 環 境, 冷 卻 液 體 在 螺 旋 管 中 流 動, 以 強 制 對 流 之 方 式 將 自 環 境 傳 入 之 熱 量 迅 速 帶 離 在 這 樣 的 應 用 中, 如 何 調 整 可 能 的 設 計 參 數, 以 使 這 個 螺 旋 管 所 扮 演 的 冷 卻 效 能 達 到 最 高, 是 此 元 件 設 計 之 核 心 焦 點 圖 1 螺 旋 管 螺 旋 管 可 以 調 整 的 設 計 參 數 很 多, 包 括 幾 何 尺 寸 方 面 的 曲 率 比 ( r 0 /a) 節 距 (pitch,b) 等, 以 及 操 作 條 件, 如 流 體 在 螺 旋 管 入 口 之 雷 諾 數 (Re) 等 再 展 開 相 關 參 數 的 設 計 時, 必 頇 先 弄 清 楚 什 麼 是 螺 旋 管 最 佳 效 能 的 指 標 呢? 由 於 螺 旋 管 係 扮 演 一 提 供 熱 對 流 發 生 之 熱 交 換 元 件, 因 此 如 何 使 熱 對 流 效 果 提 高, 是 主 要 的 思 考 方 向 過 去 有 大 量 研 究 皆 探 討 螺 旋 管 內 強 制 對 流 效 能 與 設 計 參 數 間 之 關 係, 如 Manlapaz 等 人 提 出 之 螺 旋 管 內 強 制 對 流 Nu 之 經 驗 公 式 [1]: 3 3 / / He Nu (6) Pr Pr He 1/ 3 44

47 2 其 中 Nu h r / k ; He Dn/ 1 b / 2a 1/ ; Rer a 1/ Dn ; Re V2r0 / ; h 為 管 中 流 場 之 帄 均 熱 傳 係 數 ;Dn<20 時 m=2,20<dn<40 時 m=1,dn>40 時 m=0 如 果 提 升 熱 對 流 效 能 是 我 們 追 求 的 目 標, 那 麼 當 我 們 選 擇 以 Re 為 設 計 參 數 來 考 量 時, 由 (6) 式 可 以 清 楚 的 獲 致 結 論, 螺 旋 管 的 操 作 條 件 Re 必 頇 儘 量 提 高 ( 因 Nu 將 可 隨 Re 增 加 而 提 高 ) 然 而, 從 系 統 能 量 最 有 效 運 用 的 觀 點 進 一 步 深 入 思 考 時, 則 必 頇 考 慮 到 : 由 於 Re 提 高 時, 在 使 Nu 提 昇 之 同 時 卻 亦 使 螺 旋 管 中 的 摩 擦 阻 力 增 加, 造 成 需 投 入 更 多 的 能 量, 以 維 持 冷 卻 流 體 在 螺 旋 管 中 流 動 以 整 體 能 量 運 用 的 效 益 來 看, 必 頇 考 量 此 額 外 的 能 量 輸 入 以 產 生 較 佳 之 熱 傳 效 益 是 否 值 得 因 此 所 謂 螺 旋 管 的 最 佳 操 作, 恐 不 宜 僅 以 Nu 為 指 標 來 衡 量 由 此 觀 點 而 言,Re 並 不 應 一 味 的 增 大, 而 必 頇 在 提 升 Nu 卻 又 不 造 成 太 大 之 摩 擦 阻 力 ( 額 外 之 能 量 輸 入 需 求 ) 間 取 得 一 妥 協 之 最 佳 值, 對 整 體 能 量 運 用 的 效 益 而 言, 方 是 所 謂 最 佳 之 狀 態 以 熱 力 學 第 二 定 律 之 觀 點 來 看, 一 個 熱 力 系 統 的 最 佳 狀 態 是 使 系 統 之 可 用 能 (availability, 最 近 亦 有 學 者 使 用 exergy 來 表 達 可 用 能 ) 達 到 最 高 以 另 一 觀 點 來 解 讀 可 用 能 最 大 時, 即 是 系 統 的 熵 增 值 最 低 時 如 果 以 熵 增 值 取 代 Nu 作 為 評 估 熱 力 系 統 ( 螺 旋 管 ) 之 指 標, 則 所 得 的 最 佳 設 計 必 然 與 僅 考 慮 熱 力 學 第 一 定 律 所 獲 致 之 結 論 有 所 不 同 近 年 來, 能 源 有 效 運 用 之 議 題 受 到 廣 泛 關 注, 因 此 僅 考 慮 熱 力 學 第 一 定 律 之 思 維, 已 不 足 以 獲 致 熱 力 系 統 真 正 之 最 佳 設 計 在 現 代 之 熱 力 系 統 設 計 中, 除 熱 力 學 第 一 定 律 外, 並 必 頇 涵 蓋 熱 力 學 第 二 定 律 之 概 念, 以 可 用 能 最 大 化 作 為 設 計 之 目 標, 方 可 滿 足 熱 力 系 統 能 量 最 有 效 運 用 之 設 計 需 求 四 最 小 熵 增 原 理 與 熵 的 計 算 熱 力 系 統 的 可 用 能 最 大 化, 即 相 當 於 系 統 中 熵 增 值 最 小 化 因 此, 熱 力 系 統 的 最 佳 化 設 計, 可 基 於 系 統 中 熵 增 值 最 小 化 來 進 行, 此 即 最 小 熵 增 原 理 (Minimal entropy generation principle)[2] 熱 力 系 統 的 熵 增 值 計 算, 主 要 有 兩 種 方 式, 一 為 以 理 論 方 式 進 行 熵 增 值 之 描 述, 另 一 則 為 自 流 場 之 速 度 及 溫 度 分 布 進 行 計 算 茲 以 螺 旋 管 內 之 層 流 強 制 對 流 為 例, 分 述 此 兩 種 主 要 之 研 究 方 法 如 下 : 4.1 熵 增 值 之 理 論 分 析 假 設 螺 旋 管 內 之 強 制 對 流 為 穩 定 (steady) 層 流, 且 已 達 完 全 發 展 (fully developed) 此 螺 旋 管 處 於 高 溫 之 環 境 中, 管 壁 承 受 固 定 之 熱 通 量 熱 量 自 外 界 傳 入 延 螺 旋 管 軸 向 取 一 長 度 為 dx 之 小 元 素 進 行 熱 力 學 第 一 及 第 二 定 律 之 分 析, 如 下 : 0 / m dh q' dx (7) 45

48 ' ds q' m (8) dx T T S gen ' 其 中 h 為 焓 值 ;q 為 螺 旋 管 單 位 長 度 之 熱 傳 量 ; S gen 為 單 位 螺 旋 管 長 度 內 流 體 之 熵 增 考 量 熱 力 學 關 係 式 : 則 另 及 ' S gen T Tds dh vdp (9) 2 q' T 1 T / T 0 m T dp dx (10) 2 dp fv (11) dx r m V (12) 2 r 0 故 2 dp m f (13) 2 dx r 5 0 由 能 量 守 恆 : h q / (2r ) T (14) ' 0 其 中 h 為 管 中 流 長 之 帄 均 熱 傳 係 數 則 將 (13) (15) 二 式 帶 入 (10) 式, 則 可 得 將 上 式 無 因 次 化 處 理, 可 得 ' S gen T q' / Nuk (15) 2 3 ( q') m f (16) 2 2 T Nuk Tq' T r N S 1 f (17) ' 2 2 ' 3 NukT/ q 1 r q / m 5 0 其 中 N S S /( q ' / T) (18) gen 進 一 步 整 理 可 得 46

49 其 中 N S 5 1 f Re (19) Nu 1 1 kt / ' (20) 1 q m q' / (21) 2 如 引 用 螺 旋 管 內 f 及 Nu 之 經 驗 式 如 下 [1]: f 16 Re He 2 r0 He 1 2 1/ 2 3a m 1/ 2 (22) 3 3 / / He Nu (23) Pr Pr He 則 可 由 (19) 式 得 知 熵 增 值 與 各 參 數 間 之 函 數 關 係, 由 此 函 數 關 係 則 可 進 一 步 以 為 積 分 球 及 值 之 方 法, 求 得 螺 旋 管 之 最 佳 參 數 設 計 這 樣 的 分 析 方 式, 可 應 用 於 各 種 不 同 之 熱 力 系 統, 分 析 之 關 鍵 是 必 頇 能 針 對 問 題 進 行 如 前 述 之 推 導 以 獲 得 此 系 統 之 熵 增 值 與 各 設 計 參 數 間 之 函 數 關 係 式 此 分 析 方 式 應 用 於 螺 旋 管 之 例 子 可 詳 見 參 考 文 獻 [3-6]; 應 用 於 熱 傳 波 浪 板 之 例 子, 可 詳 見 參 考 文 獻 [7] 4.2 自 流 場 速 度 分 布 及 溫 度 分 布 計 算 熵 增 值 第 二 種 計 算 熵 增 之 方 法 則 頇 先 求 出 流 場 之 速 度 與 溫 度 分 布 流 場 中 之 熵 增 值 主 要 來 自 熱 傳 與 流 體 摩 擦 之 不 可 逆 性 此 二 項 熵 增 值 可 分 冸 計 算 獲 得 : ''' S T 1/ 3 k T 2 (24) 2 T S ''' P U i T x j U x i j U i x j (25) S ''' gen S S (26) ''' T ''' P ''' S T 及 S ''' P 分 冸 代 表 流 場 中 單 位 體 積 流 體 因 熱 傳 不 可 逆 性 及 流 體 摩 擦 不 可 逆 性 所 47

50 ''' gen 造 成 之 熵 增 而 S 則 代 表 流 場 中 單 位 體 積 流 體 之 熵 增 值 由 (26) 式 可 知 : 系 統 中 之 熵 增 有 二 項 主 要 之 來 源, 一 為 流 體 流 動 之 摩 擦 不 可 逆 造 成, 另 一 則 由 有 限 溫 差 之 熱 傳 所 造 成 在 考 量 熵 增 最 小 的 設 計 時, 當 一 參 數 之 調 整 使 S 不 同 增 減 之 效 應 時, 便 必 頇 考 量 最 佳 設 計 參 數 之 調 整, 以 使 整 體 方 為 最 佳 之 參 數 值 選 取 ''' T 及 S ''' P 有 ''' S gen 最 小, 此 在 實 際 問 題 分 析 中, 必 頇 先 求 得 流 場 之 速 度 與 溫 度 分 布, 然 後 方 可 計 算 出 流 場 之 熵 增 值 這 個 方 法 較 前 述 第 一 個 方 法 的 好 處 在 於, 可 以 了 解 熵 增 在 流 場 中 之 分 布 情 況, 讓 研 究 者 可 針 對 熵 增 較 大 之 區 域, 調 整 可 能 之 設 計 參 數, 以 設 法 降 低 該 處 之 熵 增 值 當 然 亦 可 計 算 出 流 場 整 體 之 熵 增 值, 以 了 解 各 設 計 參 數 對 流 場 整 體 總 熵 增 值 之 影 響, 冺 用 最 小 熵 增 原 理 為 基 礎, 找 出 最 佳 設 計 參 數 由 於 用 此 方 法 在 計 算 熵 增 前 必 頇 先 求 得 流 場 之 速 度 與 溫 度 分 布, 故 此 類 研 究 常 頇 與 計 算 流 體 力 學 之 方 法 結 合 相 關 之 研 究 例 子 可 詳 見 參 考 文 獻 [8-14] 五 未 來 研 究 方 向 之 規 劃 內 容 熱 力 系 統 之 設 計, 如 僅 以 熱 力 學 第 一 定 律 進 行 分 析, 恐 僅 能 獲 得 局 部 之 資 訊, 無 法 窺 得 能 量 有 效 運 用 之 全 貌 以 熱 力 系 統 能 量 有 效 運 用 之 觀 點 而 言, 必 頇 以 熱 力 學 第 二 定 律 著 眼, 使 系 統 可 用 能 達 致 極 大, 方 能 確 保 系 統 能 量 之 最 有 效 運 用 而 追 求 系 統 熵 增 的 最 小 化 即 為 系 統 可 用 能 之 最 大 化 因 此 以 最 小 熵 增 原 理 進 行 熱 力 系 統 之 設 計, 已 受 到 廣 泛 重 視, 並 有 望 成 為 現 代 熱 力 系 統 設 計 之 主 流 在 現 今 不 斷 強 調 能 源 有 效 運 用 的 時 代, 此 方 向 主 題 之 探 討, 值 得 持 續 投 入 及 深 入 發 展 以 下 為 可 進 行 探 討 之 參 考 方 向 : (1) 針 對 特 定 之 熱 力 系 統, 以 理 論 推 導 方 式, 分 析 熵 增 值 與 設 計 參 數 間 之 函 數 關 係, 進 一 步 以 微 積 分 或 其 他 極 值 之 分 析 方 法 找 出 系 統 最 小 熵 增 值 之 最 佳 單 一 設 計 參 數, 或 最 佳 設 計 參 數 之 組 合 (2) 結 合 計 算 流 體 力 學, 針 對 特 定 之 熱 力 系 統, 分 析 設 計 參 數 變 化 時 之 系 統 熵 增 值 變 化, 經 由 各 種 不 同 參 數 條 件 之 計 算, 找 出 最 小 熵 增 值 之 設 計 參 數 (3) 前 述 之 問 題 研 究, 不 論 於 國 內 外, 目 前 皆 尚 多 僅 見 於 層 流 問 題 之 探 討, 對 於 紊 流 流 場 之 熱 力 系 統, 則 尚 不 多 見, 有 待 日 後 持 續 發 展 參 考 文 獻 [15] 為 於 紊 流 流 場 中, 以 最 小 熵 增 原 理 為 基 礎, 進 行 熱 力 系 統 最 佳 化 設 計 之 例 子, 可 供 參 考 48

51 六 參 考 文 獻 [1] Manlapaz, R. and Churchill, S. W., Fully Developed Laminar Convection from a HelicalCoil, Chem. Eng. Commun., 9, p (1981). [2] Bejan, A., Entropy Generation Minimization. CRC Press, Boca Raton, FL., [3] Ko, T. H. and Ting, K., Entropy generation and thermodynamic optimization of fully developed laminar convection in a helical coil, International Communication of Mass and Heat Transfer, Vol. 32, p (2005). [4] Ko, T. H., Thermodynamic Analysis of Optimal Curvature Ratio for Fully Developed Laminar Forced Convection in a Helical Coiled Tube with Uniform Heat Flux, International Journal of Thermal Sciences Vol. 45(7), p (2006). [5] Ko, T. H. and Ting, K., Optimal Reynolds Number for the Fully Developed Laminar Forced Convection in a Helical Coiled Tube, Energy: the international journal, Vol. 31(12), p (2006). [6] Ko, T. H., Thermodynamic Analysis of Optimal Mass Flow Rate for Fully Developed Laminar Forced Convection in a Helical Coiled Tube Based on Minimal Entropy Generation Principle, Energy Conversion and Management Vol. 47 (18-19), p (2006). [7] Ko, T. H., Analysis of Optimal Reynolds Number for Developing Laminar Forced Convection in Double-sine Ducts Based on Entropy Generation Minimization Principle, Energy Conversion and Management, Vol. 47, p (2006). [8] Ko, T. H. and Ting, K., Entropy Generation and Optimal Analysis for Laminar Forced Convection in Curved Rectangular Ducts: A Numerical Study, International Journal of Thermal Sciences, Vol. 45(2), p (2006). [9] Ko, T. H., Numerical Investigation on Laminar Forced Convection and Entropy Generation in a Curved Rectangular Duct with Longitudinal Ribs Mounted on Heated Wall, International Journal of Thermal Sciences, Vol. 45(4), p (2006). [10] Ko, T. H., Numerical Investigation on Laminar Forced Convection and Entropy Generation in a Helical Coil with Constant Wall Heat Flux, Numerical Heat Transfer, Part A, Vol. 49(3), p (2006). [11] Ko, T. H., Numerical Analysis of Entropy Generation and Optimal Reynolds Number for Developing Laminar Forced Convection in Double-sine Ducts with Various Aspect Ratios, International Journal of Mass and Heat Transfer, Vol. 49(3-4), p (2006). [12] Ko, T. H., A Numerical Study on Entropy Generation and Optimization for 49

52 Laminar Forced Convection in a Rectangular Curved Duct With Longitudinal Ribs, International Journal of Thermal Sciences. Vol. 45(11), p (2006). [13] Ko, T. H. and C. S. Cheng, Numerical Investigation on Developing Laminar Forced Convection and Entropy Generation in a Wavy Channel, International Communications in Heat and Mass Transfer 34, p (2007). [14] Ko, T. H., A Numerical Study on Developing Laminar Forced Convection and Entropy Generation in Half- and Double-sine Ducts, International Journal of Thermal Sciences 46, p (2007). [15] Ko, T. H., Effects of Corrugation Angle on Developing Laminar Forced Convection and Entropy Generation in a Wavy Channel, Heat and Mass Transfer 44(2), p (2007). [16] Ko, T. H. and Wu, C.P., A Numerical Study on Entropy Generation Induced by Turbulent Forced Convection in Curved Rectangular Ducts with Various Aspect Ratios, International Communications in Heat and Mass Transfer 36, p (2009). 50

53 國 家 科 學 委 員 會 熱 流 暨 能 源 學 門 研 究 領 域 重 點 規 劃 第 五 章 氫 能 研 究 領 域 第 六 章 風 力 發 電 研 究 領 域 第 七 章 太 陽 能 研 究 領 域 第 八 章 太 陽 電 池 研 究 領 域 第 九 章 固 態 照 明 研 究 領 域 貳 能 源 專 題 51

54 第 五 章 氫 能 研 究 領 域 研 究 重 點 規 劃 內 容 規 劃 小 組 召 集 人 : 顏 維 謀 ( 台 南 大 學 綠 色 能 源 科 技 學 系 ) 52

55 一 緒 論 由 於 全 球 人 口 增 加 與 開 發 中 國 家 經 濟 快 速 發 展, 使 得 全 球 能 源 需 求 大 增, 進 而 使 得 溫 室 氣 體 排 放 問 題 日 趨 嚴 重 目 前 世 界 各 主 要 工 業 先 進 國 無 不 積 極 開 發 潔 淨 能 源 技 術, 以 減 低 溫 室 氣 體 排 放 並 降 低 對 石 化 燃 料 能 源 的 依 賴 程 度, 而 相 關 能 源 技 術 中, 氫 能 與 燃 料 電 池 技 術 即 為 其 中 相 當 重 要 的 一 環 目 前 我 國 能 源 需 求 超 過 90% 以 上 皆 仰 賴 進 口 之 石 化 能 源, 但 國 際 原 油 價 格 在 近 年 來 不 斷 的 飆 漲, 且 以 目 前 石 油 蘊 藏 量 與 需 求 來 評 估, 約 僅 能 再 使 用 年, 因 此 在 未 來 年 間 我 國 能 源 來 源 與 使 用 勢 必 面 對 嚴 峻 之 挑 戰 CO 2 的 減 量 也 是 迫 切 需 要 切 實 執 行 的 任 務, 台 灣 亦 屬 於 高 能 源 消 費 與 CO 2 排 放 量 高 的 國 家, 且 在 持 續 成 長 中 不 考 慮 石 油 價 格 的 飆 漲, 單 就 碳 稅 之 考 量, 目 前 的 火 力 發 電, 每 度 電 的 發 電 成 本 可 能 要 額 外 增 加 台 幣 一 元 以 上 而 發 展 氫 能 與 燃 料 電 池 技 術 不 僅 可 提 升 能 源 供 應 的 自 主 性 與 安 全 性, 更 可 大 幅 降 低 溫 室 氣 體 的 排 放 以 及 對 環 境 造 成 的 污 染, 同 時 可 發 展 潔 能 技 術 相 關 產 業, 達 到 能 源 國 家 型 計 畫 所 揭 櫫 的 提 升 能 源 安 全 改 善 溫 氣 排 放 開 創 能 源 產 業 等 目 標 雖 然 目 前 世 界 各 國 尚 未 建 構 成 熟 之 氫 能 源 運 作 系 統, 但 對 其 可 行 性 之 評 估 及 各 種 應 用 系 統 的 規 劃 研 發 與 測 詴 等 工 作 無 不 積 極 進 行 與 推 動 中, 包 括 氫 氣 的 製 造 儲 存 輸 送 與 終 端 燃 料 電 池 系 統 的 應 用 等 我 國 若 要 推 動 此 一 新 興 能 源 系 統 科 技 之 建 構 與 氫 能 源 未 來 之 應 用, 勢 必 頇 在 目 前 之 能 源 國 家 型 計 畫 中, 推 動 包 含 基 礎 技 術 之 研 發 系 統 之 整 合 與 測 詴 以 及 產 出 技 術 與 產 業 之 銜 接 應 用 等 重 要 發 展 項 目 氫 能 技 術 的 發 展 不 但 是 台 灣 因 應 未 來 石 化 能 源 短 缺 與 溫 室 氣 體 排 放 問 題 的 解 決 方 案 之 一, 也 是 台 灣 經 濟 繼 半 導 體 電 子 工 業 之 後, 再 度 繁 榮 的 契 機 完 整 的 氫 能 源 技 術 發 展 與 環 境 建 立 應 涵 蓋 有 下 列 大 項 :(1) 氫 燃 料 生 產 技 術 ;(2) 氫 燃 料 儲 存 傳 輸 與 運 送 技 術 ;(3) 氫 能 應 用 技 術 ;(4) 氫 能 使 用 之 法 規 及 標 準 ; 以 及 (5) 氫 能 源 之 教 育 推 廣 因 此 在 本 規 劃 報 告 中, 將 提 出 氫 能 技 術 之 重 點 研 究 方 向 在 氫 能 源 的 關 鍵 技 術 研 究 方 面, 將 包 括 各 種 氫 氣 的 生 產 製 造 儲 存 與 輸 送 等 技 術 領 域, 並 推 動 相 關 的 示 範 運 作 與 性 能 測 詴 等 工 作 以 及 實 施 策 略 與 方 法, 並 評 估 預 期 產 生 的 效 果 及 對 國 家 整 體 能 源 效 能 產 生 的 影 響 在 氫 能 終 端 應 用 技 術 方 面, 將 包 括 目 前 國 內 各 學 術 研 究 機 構 已 積 極 進 行 超 過 5 年 以 上 研 究 的 三 種 類 型 燃 料 電 池 為 主, 即 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 (PEMFC) 固 態 氧 化 物 燃 料 電 池 (SOFC) 及 直 接 甲 醇 燃 料 電 池 (DMFC) 等, 並 著 重 在 定 置 型 發 電 機 組 車 輛 工 業 以 及 可 攜 式 電 源 方 面 等 關 鍵 技 術 之 研 究, 以 期 在 兩 期 之 能 源 國 家 型 計 畫 執 行 推 動 後, 能 建 立 台 灣 整 體 氫 能 與 燃 料 電 池 系 統 之 各 項 元 件 設 計 製 造 及 系 統 整 合 之 技 術 能 力, 同 時 能 提 升 國 際 相 關 科 技 領 域 之 能 見 度 與 影 響 力, 並 與 國 際 其 他 技 術 團 隊 合 作, 培 養 氫 能 與 燃 料 電 池 科 技 研 究 之 競 爭 力, 並 進 一 步 能 將 研 發 成 果 擴 散 至 產 業 界, 以 形 成 氫 能 與 燃 料 電 池 相 關 之 新 興 產 業, 促 進 國 內 氫 能 經 濟 與 產 業 之 發 展 53

56 二 產 業 現 況 及 未 來 趨 勢 2.1 氫 氣 產 生 氫 氣 可 由 許 多 方 式 生 產, 包 括 由 石 化 原 料 經 重 組 反 應 產 氫, 或 由 水 電 解 熱 裂 解 產 氫, 或 由 生 質 原 料 裂 解 產 氫 等 氫 能 的 發 展 可 分 成 短 期 與 中 長 期 目 標 短 期 目 標 是 由 石 化 原 料 經 化 學 反 應 產 氫, 主 要 是 天 然 氣 產 氫, 這 些 技 術 最 成 熟, 成 本 也 最 低, 也 是 現 有 氫 氣 的 生 產 方 式 ; 然 而 這 種 產 氫 方 式 並 未 脫 離 對 石 化 原 料 的 依 賴, 也 未 能 減 少 二 氧 化 碳 的 排 放 中 長 期 的 發 展 目 標 則 是 以 再 生 能 源 產 氫, 現 有 各 種 再 生 能 源 技 術 如 太 陽 光 電 風 力 發 電 電 解 水 產 氫 等 的 能 量 轉 換 效 率 偏 低, 並 且 生 產 成 本 過 高, 需 要 持 續 研 發 克 服 一 些 關 鍵 技 術 目 前 台 灣 氫 氣 的 來 源 主 要 是 由 中 油 台 圕 等 石 化 相 關 企 業 由 油 品 煉 製 過 程 產 生 氫 氣, 而 參 考 美 國 能 源 署 (Argonne National Lab, 2004) 對 於 產 氫 所 擬 的 優 先 基 礎 研 究 題 目 包 括 :(1) 低 成 本 高 效 率 太 陽 能 產 氫 技 術,(2) 奈 米 尺 度 的 產 氫 觸 媒 技 術, 以 及 (3) 生 化 / 仿 生 產 氫 材 料 與 製 程 目 前 國 內 產 氫 的 研 發 主 題 為 分 散 式 產 氫 ( 經 濟 部 能 源 局, 2007a), 其 中 包 括 :(1) 分 離 助 效 式 重 組 產 氫,(2) 再 生 能 源 產 氫 之 電 漿 廢 棄 生 質 物 重 組 產 氫, 以 及 (3) 再 生 能 源 產 氫 之 太 陽 能 產 氫 電 解 水 是 最 直 接 的 產 生 氫 氣 方 法, 但 是 它 需 要 大 量 能 量, 而 且 效 率 不 高 高 溫 熱 裂 解 水 產 生 氫 氣 是 目 前 技 術 發 展 主 流, 只 要 有 足 夠 熱 源, 就 可 以 分 解 不 同 物 質 來 產 生 氫 氣, 生 產 得 到 的 氫 可 以 提 供 不 同 時 間 較 彈 性 的 電 力 需 求, 然 技 術 尚 未 完 全 成 熟 現 有 各 種 再 生 能 源 技 術 如 太 陽 光 電 與 風 力 發 電 應 用 於 電 解 水 產 氫 的 能 量 轉 換 效 率 偏 低, 並 且 生 產 成 本 過 高, 需 要 持 續 研 發 克 服 一 些 關 鍵 技 術 從 整 體 能 源 冺 用 的 角 度 看, 這 部 分 的 量 太 少, 因 此 適 合 某 些 小 型 以 及 特 殊 用 途 之 系 統 使 用 而 除 了 一 般 電 解 法 產 氫 沒 有 工 作 溫 度 的 要 求 之 外, 其 他 的 產 氫 都 需 要 有 足 夠 化 學 反 應 進 行 的 溫 度 如 蒸 氣 重 組 法 是 目 前 有 效 率 且 最 廣 泛 被 用 來 製 造 氫 氣 的 製 程, 再 如 部 份 氧 化 法 使 用 之 原 料 包 括 從 甲 烷 到 石 油 殘 渣 的 烴 類 等, 兩 種 方 法 中 CO 2 都 是 生 成 物 只 有 當 氫 氣 是 經 由 永 續 的 非 石 化 燃 料 不 產 生 溫 室 氣 體 的 能 源 所 生 產, 減 少 CO 2 之 生 成, 則 發 展 氫 經 濟 才 是 有 意 義 的 根 據 以 上 原 則, 本 規 劃 強 調 以 下 數 類 型 核 能 與 再 生 能 源 產 氫 技 術 為 主 要 之 發 展 方 向 核 能 產 氫 核 能 產 生 氫 氣 主 要 以 核 反 應 器 產 生 高 溫 作 為 熱 源, 以 進 行 高 溫 熱 化 學 反 應, 所 以 提 高 反 應 器 出 口 溫 度 (750~1000 ) 是 要 件 ; 相 對 的 發 電 效 率 也 大 幅 提 高 常 用 的 輕 水 式 反 應 器 達 不 到 這 個 溫 度, 目 前 有 的 選 擇 是 高 溫 氣 冷 式 反 應 器 (HTGR) 或 熔 鹽 反 應 器 (MSR) 冺 用 核 能 高 溫 熱 化 學 產 氫 的 整 個 反 應 中, 不 會 對 環 境 產 生 任 何 負 擔 核 能 產 生 氫 氣 可 以 快 速 高 密 度, 而 且 大 量 的 製 造 氫 氣 美 國 Sandia 國 家 實 驗 室 評 估 過 九 種 不 同 類 型 的 核 反 應 器, 最 後 認 為 模 組 式 氦 氣 高 溫 反 應 器 (Modular Helium Reactor) 最 適 用 於 高 溫 熱 化 學 反 應 產 氫 例 如 GTHTR300 就 是 最 近 依 據 被 動 式, 且 本 質 上 安 全 無 虞 的 HTGR 所 提 出 的 觀 念, 54

57 它 的 爐 心 冷 卻 劑 出 口 溫 度 為 950 它 被 設 計 來 同 時 經 由 氦 氣 渦 輪 機 產 出 電 力, 以 及 經 由 硫 碘 (Sulfur-Iodine, S-I) 熱 化 學 循 環 過 程 來 製 造 氫 氣, 並 且 期 望 此 兩 者 共 同 產 出 的 效 率 可 以 達 到 45-50% 表 1 美 國 能 源 部 有 關 核 能 產 氫 之 研 發 時 程 Source: US DOE. THE = High Temperature Electrolysis 冺 用 核 能 產 氫 的 熱 化 學 循 環 (ThermoChemical Cycles), 通 常 經 由 中 介 物 質 與 水 產 生 化 學 反 應 將 水 中 的 氫 及 氧 分 開, 再 經 由 高 溫 的 化 學 反 應 將 氫 及 氧 與 中 介 物 質 分 解 產 生 氫 氣 及 氧 氣, 而 中 介 物 質 則 循 環 使 用 根 據 Vitart 等 之 分 析, 硫 碘 循 環 是 目 前 最 被 看 好 的 循 環, 這 個 循 環 包 括 七 個 不 同 溫 度 下 的 化 學 反 應 (Vitart and Carles, 2005), 這 些 反 應 相 關 之 基 礎 研 究 與 工 程 設 計 均 是 目 前 極 待 進 行 的 課 題, 其 中 尤 其 以 (SO 3 ) g 之 反 應 過 程 : (SO 3 ) g (SO 2 ) g + 1/2O 2(g), 需 要 在 大 約 850 下 進 行, 是 主 要 的 技 術 挑 戰 因 超 臨 界 水 冷 反 應 器 或 快 滋 生 反 應 器 的 出 口 溫 度 均 無 法 達 到 850 之 高 溫 這 些 高 溫 的 反 應 環 境 可 由 高 溫 核 子 反 應 器 產 生 高 溫 氣 體 ( 如 He) 提 供, 理 論 上 反 應 的 效 率 可 達 51%, 但 真 正 的 效 率 應 在 34~37% 之 間 (Vitart and Carles, 2005) 此 外, 創 新 之 核 能 產 氫 方 式 以 降 低 反 應 之 溫 度 也 是 迫 切 需 要 的 表 1 為 美 國 能 源 部 有 關 核 能 產 氫 之 研 發 時 程 生 物 產 氫 厭 氧 醱 酵 則 是 目 前 被 評 估 為 頗 具 潛 能 之 生 物 產 氫 / 丁 醇 的 方 法 (Levin et al., 2004; Ezeji et al., 2005), 可 應 用 於 生 質 體 以 及 有 機 質 或 廢 棄 物 之 資 源 化, 是 合 乎 環 保 概 念 與 資 源 回 收 的 氫 能 源 產 生 方 式 國 內 大 學 研 究 團 隊 已 於 本 土 產 氫 菌 種 篩 選 產 氫 生 物 反 應 器 設 計 及 菌 種 結 構 分 析 等 厭 氧 生 物 技 術 上, 獲 致 傑 出 成 果 其 中 所 開 發 之 顆 粒 污 泥 / 固 定 化 細 胞 系 統 之 醱 酵 產 氫 技 術, 使 用 簡 單 分 子 ( 蔗 糖 ) 醱 酵 之 產 氫 速 率 高 達 360 L/L/d, 為 國 際 水 準 12 倍 以 上, 而 大 分 子 ( 澱 粉 ) 醱 酵 之 產 氫 速 率 高 達 48 L/L/d, 為 國 際 水 準 8 倍 以 上, 居 世 界 領 先 地 位 (Wu et al., 2006; Wang and Chang, 2007) 目 前 已 建 構 生 物 產 氫 模 場, 進 行 生 物 產 氫 量 產 技 術 之 開 55

58 發 光 催 化 (Photocatalytic) 裂 解 水 產 氫 光 催 化 (Photocatalytic) 裂 解 水 產 氫 技 術 提 供 太 陽 能 另 一 有 效 冺 用 的 管 道, 產 氫 效 率 的 提 昇 主 要 靠 光 催 化 材 料 所 降 低 的 活 化 能 來 決 定 此 項 技 術 在 1972 年 由 日 本 東 京 大 學 Fujshima 及 Honda 等 人 首 先 發 表 TiO 2 光 觸 媒 材 料 研 究 (1972), 目 前 日 本 在 此 一 領 域 具 領 先 地 位, 已 開 發 成 功 多 種 光 觸 媒 材 料 其 有 效 吸 收 光 譜 自 單 純 TiO 2 的 紫 外 光 區 拓 展 至 可 見 光 區, 已 達 滿 意 的 階 段 2.2 氫 氣 儲 存 與 運 送 氫 能 發 展 所 面 對 的 挑 戰 除 發 展 成 本 低 之 多 元 化 產 氫 途 徑 外, 探 索 可 用 於 電 動 車 的 儲 氫 方 式, 發 展 安 全 且 有 效 率 的 氫 氣 配 送 架 構 供 應 網 之 建 立 等 都 是 重 要 課 題 儲 氫 技 術 之 挑 戰 在 於 : 一 有 氫 氣 需 求 立 即 輸 出 重 量 輕 與 體 積 小 等 之 要 求 表 二 為 儲 氫 目 標 與 各 種 儲 氫 技 術 進 展, 其 困 難 可 見 一 斑 氫 氣 在 常 溫 常 壓 下, 它 的 能 量 密 度 低, 攜 帶 上 體 積 過 於 龐 大, 在 車 輛 或 攜 帶 電 源 上 的 應 用 不 易 它 必 頇 以 其 他 形 式 儲 存 才 實 用 氫 氣 儲 存 形 式 可 分 為 兩 種 : 一 種 為 將 氫 氣 儲 存 在 容 器 裡 ; 另 一 種 為 將 氫 氣 儲 存 在 材 料 裡 儲 存 在 容 器 裡 可 為 高 壓 儲 氫 和 液 態 儲 氫 儲 存 在 材 料 裡 ( 儲 氫 材 料 ) 可 為 金 屬 儲 氫 化 學 儲 氫 與 吸 附 型 儲 氫 各 式 儲 氫 方 式 皆 有 其 優 缺 點, 在 表 2 中 可 見 各 種 儲 氫 方 式 的 比 較 與 美 國 能 源 部 所 設 定 的 目 標 目 前 以 高 壓 儲 氫 比 較 接 近 美 國 能 源 署 所 訂 定 2010 年 的 目 標, 現 在 多 數 燃 料 電 池 驅 動 的 電 動 車 都 是 以 高 壓 方 式 儲 存 氫 氣, 現 正 發 展 以 碳 纖 維 與 樹 酯 組 合 的 輕 質 耐 高 壓 複 合 材 料 作 為 容 器 然 而 高 壓 儲 氫 要 體 積 小, 則 壓 力 必 頇 再 增 加, 造 成 儲 氫 過 程 費 能 與 高 壓 的 潛 在 危 隩 若 將 氫 氣 儲 存 在 材 料 裡 則 可 避 免 高 壓 的 危 隩, 因 此 各 國 研 究 人 員 多 從 事 儲 氫 材 料 的 研 究 台 灣 有 漢 氫 科 技 公 司 提 供 儲 氫 合 金 材 料 以 及 儲 氫 罐, 亞 太 燃 料 電 池 公 司 代 理 儲 氫 罐 美 國 能 源 部 在 這 方 面 多 數 研 發 的 方 向 為 儲 氫 複 合 材 料 (Argonne National Laboratory, 2004), 分 冸 就 材 料 的 奈 米 結 構 表 面 吸 附 / 脫 附 與 衰 退 機 制 ( 化 學 吸 脫 附 與 物 理 吸 脫 附 ) 過 渡 金 屬 摻 雜 新 材 料 開 發 進 行 研 究 國 內 目 前 進 行 的 方 向 與 能 源 部 類 似 ( 經 濟 部 能 源 局,2007a), 包 括 高 儲 氫 量 複 合 金 屬 儲 氫 材 料 化 學 儲 氫 與 吸 附 型 儲 氫 技 術 等 方 面 系 統 單 位 重 量 儲 氫 量, kwh/kg 系 統 單 位 體 積 儲 氫 量,kWh/L 系 統 成 本, $/kwh 表 2 儲 氫 目 標 與 各 種 儲 氫 技 術 進 展 ( 經 濟 部 能 源 局,2007a) 美 國 能 源 署 目 標 值 (4.5wt%) 1.5 (6.0wt%) 3.0 (9.0wt%) 高 壓 氫 1.9 (5.7wt%) 液 態 氫 1.7 (5.1wt%) 金 屬 儲 氫 0.83 (2.5wt%) 化 學 儲 氫 1.4 (4.2wt%) 吸 附 型 * 儲 氫 未 知 未 知 >> 6 56

59 最 低 / 最 高 運 送 目 標 溫 度, o -30/85-40/85-40/85 常 溫 C 值 內 > 200 常 溫 常 溫 充 放 氫 循 環 壽 命 >1500 > 系 統 充 5 公 斤 氫 的 時 間,min < 5 < 5 30 < 5 未 知 氫 氣 純 度,% H 未 知 可 用 氫 氣 損 失,(g/h)/kg H 無 資 料 8 無 資 料 無 資 料 未 知 充 氫 能 源 效 率,% H 2 LHV >90% (a) >90% (a) >60% (b) >60% (b) 8/5-15% ~33% 無 資 料 ~50% 未 知 * 備 註 : 金 屬 儲 氫 以 complex metal hydrides 為 例, 化 學 儲 氫 以 NaBH 4 為 例, 吸 附 型 儲 氫 以 MOFs 為 例 (a) 高 壓 / 液 態 / 金 屬 儲 氫 ;(b) 化 學 儲 氫 資 料 來 源 : 工 業 技 術 研 究 院 與 美 國 能 源 部 網 站 資 料 2.3 氫 氣 運 用 與 燃 料 電 池 目 前 氫 氣 的 主 要 用 途 是 在 石 化 冶 金 電 子 等 工 業, 燃 料 電 池 所 用 氫 氣 量 微 不 足 道 未 來 隨 著 氫 能 經 濟 與 再 生 能 源 的 發 展, 燃 料 電 池 將 成 為 氫 能 源 的 主 要 用 途 之 一 目 前 國 內 燃 料 電 池 的 研 發 分 為 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 固 態 氧 化 物 燃 料 電 池 直 接 甲 醇 燃 料 電 池 等 三 方 面 直 接 甲 醇 燃 料 電 池 主 要 的 發 展 目 標 是 作 為 3C 電 子 產 品 的 攜 帶 電 源 PEMFC 著 重 在 定 置 型 發 電 電 動 車 與 攜 帶 型 電 源,SOFC 主 要 是 定 置 型 發 電 用 台 灣 在 燃 料 電 池 產 業 的 發 展 台 圕 南 亞 投 入 膜 電 極 組 (Membrane Electrode Assembly, MEA) 的 研 發 大 同 世 界 科 技 著 重 在 電 池 系 統 的 整 合, 包 括 kw 級 的 定 置 型 發 電 機 亞 太 燃 料 電 池 公 司 以 燃 料 電 池 機 車 為 主 要 發 展 目 標 美 國 能 源 署 在 燃 料 電 池 的 優 先 研 究 主 題 ( 經 濟 部 能 源 局,2007a) 包 括 : (1) 觸 媒 ( 高 活 性 鉑 觸 媒 非 白 金 觸 媒 新 合 成 觸 媒 )(2) 延 長 陰 極 觸 媒 穩 定 性 的 方 法,(3) 新 電 極 結 構,(4) 各 種 操 作 溫 度 範 圍 ( 低 溫 < 200 o C, 中 溫 o C, 高 溫 o C) 的 離 子 傳 導 薄 膜 等 等 由 於 燃 料 電 池 高 效 率 低 污 染 的 特 性, 以 及 近 年 來 隨 著 快 速 的 技 術 改 進 而 不 斷 降 低 的 製 造 成 本, 燃 料 電 池 已 逐 漸 成 為 氫 能 源 技 術 應 用 中 最 重 要 的 一 環, 其 應 用 領 域 涵 蓋 面 由 大 型 的 電 力 發 電 系 統 電 動 車 輛 與 中 小 型 分 散 式 家 用 的 發 電 系 統, 小 至 數 瓦 級 的 各 種 攜 帶 型 及 3C 產 業 用 電 源 系 統 因 此, 歐 美 日 在 相 關 的 基 礎 科 技 以 及 商 業 化 量 產 技 術 的 研 發 上, 均 已 投 入 長 期 且 高 額 的 研 發 經 費, 以 期 降 低 成 本, 且 在 近 年 已 逐 步 量 產 上 市 累 計 過 去 十 年 間, 全 球 的 產 業 與 政 府 研 發 投 資 已 超 過 百 億 美 金 之 鉅, 以 燃 料 電 池 龐 大 的 產 業 價 值 加 上 我 國 業 界 長 於 量 產 製 造 與 創 新 研 發 的 特 性, 若 能 在 能 源 國 家 型 計 畫 中 投 入 具 有 前 瞻 性 創 新 性 的 技 術 研 發, 對 傳 統 產 業 轉 型 與 升 級 為 新 興 能 源 科 技 產 業 的 發 展, 必 將 有 相 當 重 大 的 助 益 燃 料 電 池 因 材 料 成 本 高, 待 克 服 之 材 料 系 統 之 技 術 瓶 頸, 燃 料 之 生 產 儲 存 與 供 應 之 周 邊 建 置, 以 及 標 準 與 安 全 法 規 問 題, 使 燃 料 電 池 商 品 化 時 程 不 斷 延 遲 目 前 預 估 此 技 術 與 量 產 規 模 於 2010~2015 年 成 熟, 車 輛 之 商 品 化 市 場 將 漸 漸 成 形, 此 時 氫 能 生 產 運 輸 儲 存 與 法 規 問 題 也 漸 漸 獲 得 解 決 全 世 界 目 前 已 有 57

60 超 過 100 輛 燃 料 電 池 公 車 汽 車 與 加 氫 站 正 進 行 示 範 運 行,Nippon Oil 公 司 於 2005 年 開 始 出 租 1kw 家 用 天 然 氣 發 電 機 150 台, 預 期 2013 年 產 量 10 萬 台 攜 帶 式 燃 料 電 池 中, 有 加 拿 大 Ballard, 美 國 MTI (Microfuel cell), 德 國 Smart fuel cell 已 於 2004 年 進 行 商 業 量 產,2005 年 攜 帶 式 燃 料 電 池 市 場 產 量 約 1 萬 台 台 灣 產 業 投 入 燃 料 電 池 研 發 還 處 於 萌 芽 期 間, 主 要 技 術 偏 向 於 PEMFC 系 統 與 週 邊 組 件, 如 電 池 組 重 組 器 儲 氫 合 金 及 電 力 轉 換 模 組 等 於 上 游 關 鍵 材 料 零 件 技 術 開 發 以 大 學 及 研 究 單 位 的 獨 立 研 究 為 主, 包 含 工 研 院 材 化 所 及 能 資 所 中 科 院 核 研 所, 以 及 各 大 學 等 學 術 研 究 單 位 燃 料 電 池 因 使 用 技 術 應 用 產 品 之 不 同, 其 技 術 現 況 與 瓶 頸 有 所 差 異, 以 PEMFC 而 言, 為 目 前 燃 料 電 池 研 發 之 主 流, 且 應 用 領 域 最 廣, 目 前 主 要 的 問 題 在 於 膜 材 與 觸 媒 成 本 過 高 材 料 壽 命 不 足, 系 統 溫 度 低 造 成 觸 媒 毒 化 配 件 體 積 重 量 大 與 燃 料 使 用 與 取 得 等 問 題 未 來 主 要 發 展 技 術 包 含 高 於 120 之 高 溫 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 系 統 開 發 觸 媒 抗 CO 毒 化 技 術 觸 媒 減 量 技 術 MEA 製 程 技 術 雙 極 板 製 作 加 工 技 術 低 加 濕 與 水 熱 管 理 技 術 電 池 組 流 道 設 計 與 系 統 整 體 體 積 功 率 密 度 及 重 量 功 率 密 度 提 升 等 技 術 而 未 來 研 發 方 向 與 趨 勢 主 要 為 降 低 成 本 提 升 壽 命 與 穩 定 性 以 及 改 善 冷 啟 動 與 動 態 負 載 循 環 性 能 等 待 克 服 之 研 究 主 題 如 高 性 能 壽 命 高 溫 或 低 溼 度 膜 材 開 發, 替 代 觸 媒 與 奈 米 材 料 開 發, 材 料 與 操 作 環 境 對 電 池 老 化 機 制 研 究, 高 性 能 與 低 溼 度 電 池 水 管 理 研 究 等 而 在 應 用 於 3C 與 攜 帶 式 電 源 器 方 面, 主 要 技 術 為 直 接 甲 醇 燃 料 電 池 (DMFC), 其 它 也 包 括 微 型 PEMFC, 以 及 使 用 其 他 液 態 燃 料 的 微 型 燃 料 電 池 等 技 術 其 中 DMFC 未 來 主 要 技 術 發 展 方 向 及 亟 待 解 決 之 問 題 包 含 陽 極 與 陰 極 的 兩 相 流 控 制 技 術 高 性 能 MEA 之 備 製 技 術 抗 甲 醇 穿 透 薄 膜 製 作 技 術 觸 媒 活 性 提 升 與 降 低 觸 媒 用 量 技 術 開 發 等 另 外 在 高 溫 型 SOFC 燃 料 電 池 方 面, 主 要 應 用 於 高 功 率 定 置 型 發 電 機 組, 雖 然 其 發 電 效 率 可 達 52% 以 上, 但 發 電 單 位 功 率 成 本 仍 高 過 去 發 展 較 成 熟 技 術, 包 括 Siemens 所 開 發 之 1200 管 狀 結 構 電 池 組 設 計, 而 美 國 SECA Program 則 朝 向 較 低 溫 600~800 之 系 統 發 展, 甚 至 開 發 400~ 500 小 型 帄 板 型 高 功 率 電 池 模 組, 以 達 到 降 低 發 電 成 本 目 標 國 內 研 發 技 術 相 對 於 國 際 現 況 成 熟 度 仍 較 低, 目 前 仍 處 於 起 步 階 段, 主 要 研 究 機 構 包 括 核 能 研 究 所 及 其 他 大 學 學 術 研 究 單 位 等 未 來 在 SOFC 的 技 術 發 展 方 向 上, 包 括 降 低 系 統 操 作 溫 度 控 制 系 統 啟 動 時 間 增 強 系 統 耐 久 性 與 使 用 壽 命 以 及 解 決 高 溫 氣 密 問 題 等 關 鍵 技 術 三 規 畫 目 標 規 畫 目 標 是 希 望 能 夠 在 台 灣 建 立 先 進 的 氫 能 與 燃 料 電 池 研 究 團 隊, 並 結 合 產 學 研 各 界 的 研 發 能 量, 推 動 氫 能 源 技 術 的 相 關 研 究, 並 建 立 氫 能 源 的 應 用 環 境, 協 助 相 關 產 業 發 展, 達 到 提 升 能 源 安 全 改 善 溫 氣 排 放 開 創 能 源 產 業 之 目 標, 並 使 台 灣 成 為 亞 洲 地 區 氫 能 與 燃 料 電 池 之 研 發 製 造 與 系 統 組 成 之 重 要 基 地 依 據 本 規 畫 目 標, 相 關 之 工 作 項 目 如 下 58

61 3.1 氫 氣 製 造 近 程 目 標 (2015 年 之 前 ) 1. 冺 用 離 峰 電 力, 以 電 解 法 產 氫, 轉 移 給 尖 峰 電 力, 以 充 分 冺 用 基 載 容 量 2. 評 估 大 規 模 開 發 離 島 可 冺 用 之 再 生 能 源 於 產 氫 之 效 益 3. 在 經 濟 效 益 與 不 刻 意 增 加 能 源 轉 換 時 的 不 可 逆 性 (Irreversibility) 的 條 件 之 下, 加 速 開 發 已 成 熟 再 生 能 源 技 術 於 產 氫 的 規 劃 4. 精 進 與 研 發 以 下 項 目, 以 展 示 產 氫 可 行 性 : i. 高 溫 電 解 法 (High temperature electrolysis) ii. 混 合 硫 法 (Hybrid Sulfur Process) iii. 熱 化 學 法 裂 解 水 (Heat-Thermochemical Water-splitting) iv. 熱 電 混 合 法 5. 增 強 氫 能 轉 換 效 率 i. 廠 分 析 程 式 建 構 ii. 能 量 轉 換 模 式 建 構 iii. 建 造 加 氫 示 範 站 6. 生 物 產 氫 部 分, 最 終 技 術 目 標 是 研 發 將 含 纖 維 素 之 生 質 物 以 生 物 法 轉 化 為 氫 氣 之 量 產 應 用 技 術, 以 協 助 推 動 我 國 替 代 能 源 之 發 展 7. 建 造 產 氫 示 範 廠 8. 在 熱 裂 解 產 氫 方 法 與 技 術 方 面 之 主 要 挑 戰 目 標 有 : i. 需 要 高 於 800 C 的 溫 度, 溫 度 越 高, 效 率 越 高 ii. 反 應 必 頇 在 一 密 閉 迴 路 中 完 成 iii. 實 驗 數 據 與 驗 證 iv. 降 低 生 產 成 本 長 程 目 標 (2020 年 之 前 ) 1. 核 能 產 氫 發 展 部 分, 除 了 核 能 領 域 之 外 產 氫 的 部 分 有 必 要 研 究 尋 求 突 破, 不 需 850 之 高 溫 就 可 以 進 行 熱 解 產 氫 之 替 代 化 學 程 序 2. 參 與 國 際 合 作, 完 成 開 發 高 溫 熱 能 產 氫 之 技 術 3. 建 立 超 高 溫 產 氫 之 關 鍵 零 組 件 技 術 與 產 業 之 培 植 4. 建 造 核 能 產 氫 示 範 廠 5. 生 物 產 氫 部 分, 最 終 技 術 目 標 是 完 成 商 業 化 建 廠 之 各 項 設 計 參 數, 包 含 經 濟 與 能 源 效 益 評 析, 建 立 國 內 生 物 氫 能 商 業 化 技 術 及 推 廣 應 用, 以 及 提 升 再 生 能 源 比 重, 降 低 化 石 能 源 依 賴 度 6. 有 關 光 催 化 (Photocatalytic) 裂 解 水 產 氫 部 分, 國 內 學 術 界 可 以 繼 續 加 強 研 發 並 協 助 產 業 界 開 發 包 括 多 層 膜 光 電 極 技 術 製 程 設 備 開 發 光 催 化 材 料 開 發 量 測 與 測 詴 儀 器 開 發 等 59

62 3.2 氫 氣 儲 存 與 輸 送 儲 氫 技 術 需 求 因 用 途 而 異 在 定 置 型 用 途 上, 儲 氫 在 體 積 重 量 操 作 溫 度 壓 力 的 要 求 有 很 大 的 彈 性 ; 然 而 對 於 在 運 輸 交 通 工 具 的 應 用, 它 必 頇 在 體 積 重 量 填 充 速 度 溫 度 有 較 嚴 格 的 需 求 氫 能 源 在 台 灣 工 商 業 上 的 發 展, 除 了 供 應 內 需 之 外, 主 要 是 外 銷 導 向, 並 需 考 量 台 灣 產 業 的 優 勢 因 此 發 展 目 標 必 頇 與 國 際 目 標 接 軌 美 國 能 源 部 2010 年 和 2015 年 的 儲 氫 系 統 重 量 密 度 目 標 分 冸 為 6.0wt.% 和 9.0wt% 同 樣 的 目 標, 日 本 預 定 在 2020 年 達 成 此 外 儲 氫 技 術 尚 頇 將 成 本 降 至 $ 2/kWh, 充 放 氫 循 環 壽 命 在 1,500 次 以 上, 充 5 公 斤 氫 的 時 間 在 2.5 min 以 內 等 技 術 指 標 因 此 儲 氫 技 術 的 策 略 需 考 量 短 期 在 台 灣 產 業 的 貢 獻 與 中 長 期 氫 能 社 會 的 實 現, 擬 定 如 表 3 表 3 儲 氫 計 畫 目 標 儲 氫 計 畫 目 標 1. 短 期 策 略 性 聚 焦 於 定 置 型 / 行 動 式 儲 氫 系 統 產 品 ( 系 統 儲 氫 量 4wt.%) 2. 中 長 期 開 發 車 用 儲 氫 系 統 3. 奠 定 氫 能 產 業 環 節 的 關 鍵 技 術 近 程 ( ) 長 程 ( ) 以 現 有 儲 氫 技 術, 發 展 其 冺 基 產 品, 例 開 發 高 技 術 的 車 用 儲 氫 系 統, 並 在 氫 能 如 定 置 型 / 行 動 型 氫 能 源, 同 時 研 究 開 產 業 扮 演 關 鍵 技 術 提 供 者 發 高 儲 氫 量 材 料, 以 追 求 儲 氫 長 期 發 配 合 國 際 標 準, 建 立 儲 氫 安 規 與 檢 驗 標 展 準 推 出 車 用 儲 氫 系 統 於 商 品 上 3.3 燃 料 電 池 在 燃 料 電 池 部 分, 將 包 括 目 前 發 展 主 流 類 型 的 三 種 燃 料 電 池 : 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 (PEMFC) 固 態 氧 化 物 燃 料 電 池 (SOFC) 及 直 接 甲 醇 燃 料 電 池 (DMFC) 第 一 期 工 作 項 目 與 目 標 包 括.. (1) 建 立 基 礎 燃 料 電 池 科 技 研 究 中 心, 尋 求 新 技 術 之 發 展 基 礎 學 理 之 探 討 突 破 性 系 統 之 架 構 設 計 與 製 程 等 觀 念 創 新 之 研 究 (2) 與 國 外 研 究 機 構 合 作, 引 進 先 進 研 發 技 術 及 經 驗, 共 同 開 發 燃 料 電 池 系 統 之 材 料 元 件 及 檢 測 技 術, 產 出 具 應 用 價 值 之 專 冺 技 術 (3) 與 產 業 界 合 作 共 同 開 發 關 鍵 組 件, 推 廣 燃 料 電 池 產 業, 逐 步 建 立 有 冺 於 燃 料 電 池 系 統 應 用 與 發 展 的 經 濟 環 境, 提 升 燃 料 電 池 研 發 的 技 術 層 次 (4) 研 究 燃 料 電 池 系 統 與 週 邊 組 件 之 性 能 與 安 全 標 準, 並 由 實 驗 驗 證 來 評 估 相 關 產 品 與 週 邊 基 礎 設 施 之 安 全 性 耐 久 性, 為 推 動 產 品 國 際 化, 建 立 初 步 產 品 先 期 檢 測 與 驗 證 環 境 機 制 作 準 備 (5) 規 劃 示 範 運 行 計 畫, 建 立 相 關 基 礎 設 施, 並 藉 由 計 畫 推 動 建 立 相 關 技 術 資 料, 作 為 第 二 期 持 續 推 動 氫 能 源 系 統 應 用 的 重 要 參 考 依 據 60

63 第 二 期 工 作 項 目 與 目 標 包 括.. (1) 持 續 推 動 各 類 型 燃 料 電 池 科 技 相 關 研 究 工 作, 並 持 續 推 動 國 際 合 作, 導 入 先 進 研 究 技 術 人 力 與 經 驗, 培 育 本 國 相 關 科 技 研 究 人 材, 積 極 推 動 使 台 灣 成 為 亞 太 地 區 重 要 的 燃 料 電 池 技 術 研 發 中 心 (2) 建 立 各 類 型 燃 料 電 池 ( 包 括 PEMFC, SOFC, DMFC, 及 其 他 類 型 燃 料 電 池 等 ) 之 性 能 資 訊 與 使 用 環 境 分 析 (3) 建 立 各 類 燃 料 電 池 完 整 的 測 詴 分 析 資 訊, 包 括 零 組 件 與 週 邊 系 統, 並 參 照 國 際 標 準 與 安 全 規 範 訂 定 相 關 國 家 標 準, 供 國 內 產 學 研 各 界 參 考 (4) 規 劃 建 立 燃 料 電 池 性 能 驗 證 中 心 並 完 成 相 關 基 礎 建 設, 性 能 驗 證 包 括 功 率 壽 命 續 航 力 與 熱 效 率 等, 並 建 立 包 括 系 統 驗 證 功 能 維 護 與 示 範 運 作 之 相 關 作 業 準 則 (5) 推 動 燃 料 電 池 系 統 應 用 計 畫, 完 整 建 立 必 要 的 產 業 發 展 技 術 資 訊, 加 速 推 動 燃 料 電 池 相 關 產 業 之 經 濟 發 展, 並 評 估 對 國 家 整 體 節 能 減 碳 目 標 產 生 的 效 益 四 規 劃 內 容 4.1 氫 氣 產 生 現 今 以 化 石 燃 料 重 整 產 氫 為 主 的 作 法, 將 因 化 石 燃 料 的 短 缺 及 溫 室 氣 體 排 放 的 限 制, 而 逐 漸 由 其 他 方 式 取 代, 有 關 的 內 容 有 : 太 陽 光 電 產 氫 研 究 高 溫 熱 化 學 產 氫 研 究 新 型 核 電 廠 於 產 氫 之 前 瞻 研 究 建 立 加 氫 站 的 經 驗 及 技 術 等 熱 化 學 水 分 解 循 環 是 未 來 非 石 化 燃 料 產 氫 技 術 的 重 要 一 環, 硫 碘 循 環 與 混 合 硫 法 (Hybrid Sulfur Process) 等 方 法 是 目 前 被 認 為 最 有 潛 力 的 一 種 技 術, 但 至 今 尚 未 商 業 化 此 循 環 尚 有 相 當 多 的 任 務 需 要 全 球 參 與 去 證 實 它 的 商 業 化 可 行 性, 模 式 理 論 實 驗 數 據 問 題 的 模 擬 計 算 反 應 介 面 耐 高 溫 及 抗 腐 蝕 材 料 化 學 反 應 與 機 制 分 析 研 究 等, 都 是 現 在 以 及 後 續 需 要 與 全 球 同 步 研 發 的 重 要 題 材 與 方 向 冺 用 氣 冷 式 反 應 器 產 生 850 ~ 900 C 的 高 溫 直 接 分 解 水 蒸 氣 產 生 氫 氣 的 計 畫, 早 在 美 日 德 等 先 進 國 家 已 研 究 多 年 特 冸 重 要 的 是 能 同 時 產 氫 與 發 電 的 AHTR 核 子 反 應 器 (Advanced High Temperature Reactor) 可 望 在 2010 年 正 式 商 轉 它 的 效 率 比 現 在 的 電 解 法 產 氫 高 10 倍 台 灣 應 積 極 培 育 人 才, 並 規 劃 類 似 第 四 代 高 溫 氣 冷 式 核 反 應 器 以 及 製 氫 廠 興 建 之 可 能 性, 加 入 全 球 發 展 第 四 代 反 應 器 中 的 高 溫 HTGR 計 畫, 以 便 將 來 台 灣 能 與 全 球 同 步, 引 入 此 型 反 應 器 於 產 氫 下 列 高 溫 熱 化 學 反 應 產 氫, 不 會 產 出 CO 2, 是 值 得 探 討 的 題 材 :(1) 以 鋅 氧 反 應 為 主, 但 溫 度 需 高 達 1500 美 國 Sandia 國 家 實 驗 室 詴 驗 高 塔 聚 焦 集 熱, 溫 度 可 達 一 千 多 度 以 上 台 灣 的 陽 光 條 件 很 難 達 到 ;(2) 碘 化 硫 :850 ;(3) 鈣 溴 : 750 ;(4) 銅 氯 :550 近 程 工 作 有 :(1) 評 估 冺 用 離 峰 電 力 進 行 電 解 製 氫 之 可 行 性 ;(2) 評 估 改 變 現 有 燃 油 燃 氣 與 燃 煤 電 廠 將 來 成 為 燃 氫 之 可 行 性 ;(3) 掌 握 儲 存 與 傳 輸 之 技 術, 氫 能 就 可 成 為 自 產 能 源 ;(4) 評 估 產 出 的 氫 能 扣 除 產 氫 付 出 的 代 價 之 淨 價 值 同 時 可 以 進 行 規 劃 大 規 模 開 發 可 冺 用 之 離 島, 例 如 澎 湖 未 加 以 冺 用 之 土 地, 以 太 61

64 陽 熱 能 ( 夏 日 白 晝 充 沛 ) 及 風 能 ( 超 過 半 年, 不 分 晝 夜 的 充 沛 量 ) 進 行 產 氫, 然 後 依 電 力 負 載 之 需 求, 彈 性 發 電, 電 能 再 以 海 底 電 纜 傳 送 到 台 灣 本 島 全 球 於 2025 年 之 前 的 排 碳 量 要 減 為 2000 年 的 排 放 量, 台 灣 當 然 也 不 例 外 但 產 氫 需 要 電 力 或 高 溫 能 源 既 有 型 式 之 核 反 應 器, 因 為 不 易 產 生 達 到 熱 解 產 氫 之 溫 度, 因 此 必 頇 採 用 產 生 動 力 或 電 力, 再 冺 用 離 峰 電 力, 以 電 解 方 式 產 氫 現 有 再 生 能 源 發 電 量 有 限, 其 所 發 的 電 以 直 接 用 掉 最 實 際 也 最 符 合 經 濟 效 益 在 此 核 四 興 建 即 將 完 成 之 際, 應 該 即 刻 規 劃 下 一 波 的 核 電 廠 因 為 石 化 燃 料 之 電 廠 有 可 能 面 臨 被 迫 降 載 發 電, 或 甚 至 關 廠 的 命 運 未 來 興 建 新 核 能 機 組, 建 議 以 因 應 基 載 電 力 之 需 求, 並 同 時 可 以 達 到 高 溫 產 氫 之 條 件 為 優 先 2007 年 美 國 能 源 部 (DOE) 提 出 邀 請, 徵 求 有 興 趣 的 團 隊 設 計 並 發 展 新 世 代 反 應 器 (Next Generation Nuclear Plant, NGNP) NGNP 目 前 傾 向 以 高 溫 氣 冷 式 反 應 器 伴 隨 產 氫 工 廠 為 考 慮 之 方 向 從 遠 程 的 角 度, 我 們 應 積 極 與 國 外 相 關 單 位 進 行 關 鍵 技 術 與 零 組 件 技 術 合 作 或 共 同 開 發 之 研 究, 尤 其 是 高 溫 熱 能 產 氫 ( 太 陽 能 及 核 能 ) 之 一 系 列 技 術, 包 括 材 料 熱 能 產 出 高 溫 熱 交 換 器 熱 化 學 轉 換 之 介 面 等 較 高 門 檻 之 技 術 太 陽 能 高 溫 產 氫 的 部 分, 由 於 台 灣 天 候 條 件 聚 焦 達 到 1500 以 上 的 可 能 性 極 微, 所 以 此 法 產 氫 在 台 灣 應 該 不 可 行 但 是 我 們 可 以 往 產 業 發 展 的 方 向 思 考, 研 發 先 進 系 統 或 零 組 件, 開 發 收 集 太 陽 能 的 關 鍵 零 組 件 或 系 統, 例 如 從 太 陽 能 接 收 器 化 學 裂 解 反 應 器 熱 交 換 器 設 計 材 料 與 反 應 膜 製 氫 循 環 評 估 等 角 度 切 入, 打 入 世 界 市 場 以 台 灣 之 環 境 與 國 力 條 件, 冺 用 核 能 產 氫 以 應 付 大 量 產 氫 所 需 的 能 量 來 源, 是 顯 而 易 見 的 必 要 冺 用 熱 化 學 產 氫 是 有 效 率 的 方 法 因 此 長 程 而 言, 可 以 產 出 高 溫 的 核 反 應 器 之 興 建 勢 在 必 行 在 生 物 產 氫 部 分, 技 術 的 規 劃 內 容 路 程 圖 如 圖 1 整 體 工 作 規 劃 與 項 目 也 將 分 為 兩 個 階 段, 如 表 4 所 示 62

65 A. 料 源 前 處 理 技 術 C. 分 子 生 物 監 測 技 術 有 機 及 纖 維 素 廢 棄 物 植 物 纖 維 素 農 業 或 工 業 廢 料 有 機 廢 棄 物 菌 群 分 析 前 處 理 功 能 性 基 因 之 監 測 及 表 現 生 物 氫 氣 可 行 性 分 析 NO stop 生 物 資 訊 / 生 物 晶 片 YES B. 製 程 技 術 工 程 設 計 第 三 期 ( ) 固 液 進 料 液 液 進 料 生 物 產 氫 商 業 化 系 統 建 立 與 推 廣 製 程 整 合 製 程 模 擬 能 源 效 益 分 析 圖 1 生 物 氫 能 技 術 路 程 圖 表 4 生 物 氫 能 技 術 發 展 規 劃 表 工 作 規 劃 與 項 目 近 程 ( ) 長 程 ( ) A 料 源 前 處 理 技 術 - 生 物 酵 素 水 解 技 術 澱 粉 及 糖 類 - 糖 蜜 醱 酵 廢 液 - 非 食 物 類 澱 粉 - 食 品 廢 水 - 確 立 料 源 穩 定 性 - 料 源 前 處 理 周 邊 技 術 開 發 - 確 立 符 合 經 濟 與 能 源 效 益 之 料 源 及 前 處 理 技 術 - 觸 媒 催 化 水 解 技 術 - 物 理 化 學 前 處 裡 技 術 纖 維 素 類 - 農 業 廢 棄 物 - 有 機 廢 棄 物 - 紙 漿 廢 水 B 製 程 技 術 暗 醱 酵 ( 模 場 操 作 ) - 高 效 率 生 物 反 應 器 開 發 - 澱 粉 及 糖 類 產 氫 模 場 操 作 技 術 - 模 場 製 程 成 本 分 析 與 效 益 評 估 光 醱 酵 - 纖 維 素 類 產 氫 模 場 操 作 技 術 - 高 效 率 醱 酵 工 程 技 術 - 嚴 厲 環 境 因 素 ( 如 高 溫 高 壓 ) - 製 程 技 術 整 合 - 經 濟 與 能 源 效 益 評 析 63

66 C 分 子 生 物 監 測 技 術 - 高 效 率 光 生 物 反 應 器 開 發 - 整 合 暗 醱 酵 技 術 - 產 氫 菌 種 篩 選 技 術 - 優 勢 菌 群 結 構 鑑 定 - 生 物 製 劑 產 製 及 保 存 技 術 研 發 - 建 立 生 物 氫 能 展 示 工 廠 - 生 物 晶 片 (Bio-Chip) - 菌 種 即 時 監 測 - 生 物 資 訊 (Bio-Informatics) 對 於 光 催 化 裂 解 水 產 氫 奈 米 太 陽 能 電 池, 光 觸 媒 材 料 之 開 發 合 成 是 此 技 術 的 發 展 重 點 目 前 以 不 同 奈 米 顆 粒 進 行 多 層 膜 製 作 光 電 極 的 研 究 較 具 成 效, 乃 透 過 不 同 光 催 化 材 料 編 織 多 層 膜 光 電 極 以 降 低 裂 解 水 的 最 小 電 壓, 增 加 產 氫 效 率 4.2 氫 氣 儲 存 與 輸 送 各 種 儲 氫 技 術 ( 高 壓 氫 液 態 氫 金 屬 儲 氫 化 學 儲 氫 吸 附 型 儲 氫 ) 中, 僅 高 壓 儲 氫 技 術 較 為 接 近, 也 是 現 行 世 界 各 國 燃 料 電 池 驅 動 車 輛 所 用 台 灣 工 業 技 術 在 碳 纖 維 複 合 材 料 上 已 有 相 當 基 礎, 應 用 範 圍 如 自 行 車 高 爾 夫 球 桿 網 球 拍 等 已 有 產 品 以 及 航 太 座 椅 筆 記 型 電 腻 外 殼 等 新 產 品 長 期 發 展 而 言, 高 壓 儲 氫 的 能 量 密 度 偏 低, 即 使 儲 氫 壓 力 提 高 到 700 Bar (10,000 psi,70 MPa), 儲 存 的 能 量 密 度 更 低 (~4.4 MJ/L 相 當 於 4.8wt.%) 也 僅 及 汽 油 的 1/8(31.6 MJ/L), 發 展 會 遇 到 瓶 頸, 安 全 性 也 為 一 大 隱 憂 液 態 儲 氫 也 有 低 充 氫 能 源 效 率 的 瓶 頸 儲 氫 材 料 具 有 高 儲 氫 量 與 安 全 的 特 性, 因 此 技 術 研 發 應 著 重 於 金 屬 儲 氫 化 學 儲 氫 與 吸 附 型 儲 氫 材 料 各 式 儲 氫 技 術 皆 有 其 優 缺 點, 儲 氫 技 術 策 略 性 發 展 短 期 以 定 置 型 / 行 動 式 儲 氫 技 術 為 主, 中 長 期 發 展 以 車 用 儲 氫 技 術 表 5 儲 氫 技 術 發 展 規 劃 表 規 劃 內 容 ( 儲 氫 ) 工 作 項 目 近 程 ( ) 長 程 ( ) 材 料 開 發 展 開 各 種 儲 氫 技 術 的 研 發 工 作 高 壓 儲 氫 金 屬 儲 氫 化 學 儲 氫 持 續 前 瞻 材 料 的 開 發 就 已 成 熟 的 技 術 與 最 具 潛 力 的 材 料 做 重 點 發 展 吸 附 型 儲 氫 整 理 分 析 篩 選 已 成 熟 的 技 術 與 最 具 潛 力 的 材 料 儲 氫 罐 製 程 與 設 計 建 立 設 計 各 型 儲 氫 罐 的 能 力 儲 氫 罐 種 類 : 小 型 攜 帶 儲 氫 中 型 移 動 儲 氫 罐 大 型 定 置 儲 氫 罐 電 腻 輔 助 設 計 : 依 據 各 種 展 示 經 驗 與 所 發 展 的 材 料 與 設 計 能 力 發 展 新 型 儲 氫 罐 協 助 國 內 廠 商 建 立 製 造 技 術 分 析 台 灣 儲 氫 技 術 的 競 爭 力, 加 入 國 64

67 教 育 推 廣 展 示 安 規 與 檢 驗 標 準 儲 氫 罐 熱 傳 分 析 儲 氫 罐 應 力 分 析 規 劃 各 型 儲 氫 罐 的 製 程 與 合 作 廠 商 邀 請 國 內 廠 商 參 予 引 進 國 外 廠 商 合 作 在 交 通 工 具 上 的 應 用 巴 士 燃 料 電 池 驅 動 機 車 自 行 車 代 步 車 在 定 置 型 氫 能 的 應 用 氫 能 源 站 ( 整 合 產 氫 儲 氫 ) 加 氫 站 ( 儲 氫 ) 不 斷 電 系 統 ( 基 地 台 醫 院 銀 行 ) 分 散 式 發 電 系 統 收 集 並 整 理 國 際 安 規 與 檢 驗 標 準 相 關 資 訊 際 分 工 與 製 造 的 供 應 鏈 系 統 協 助 廠 商 展 示 新 型 自 製 儲 氫 罐 在 各 種 氫 能 的 應 用 氫 氣 儲 存 運 輸 銷 售 網 路 之 建 立 協 助 產 業 建 立 儲 氫 罐 外 銷 管 道, 爭 取 國 際 市 場 與 ODM 地 位 產 官 學 界 共 同 制 定 台 灣 儲 氫 與 運 氫 之 安 規 與 檢 驗 標 準 實 施 儲 氫 安 規 與 檢 驗 標 準 4.3 燃 料 電 池 為 推 動 台 灣 氫 能 與 燃 料 電 池 產 業 的 共 同 帄 台, 整 合 與 協 調 產 學 研 各 界 在 橫 向 與 縱 向 包 括 上 中 下 游 之 研 發 能 量, 以 順 冺 推 動 計 畫 執 行, 達 到 規 劃 之 目 標 在 近 程 ( ) 計 畫 中, 規 劃 內 容 包 括 : (1) 建 立 燃 料 電 池 科 技 研 究 中 心, 研 究 重 點 在 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 (PEMFC) 部 分 包 括 (a) 基 礎 研 究 : 包 含 多 孔 電 極 之 雙 相 流 現 象 之 分 析 質 子 交 換 膜 之 水 輸 送 現 象 分 析 膜 電 極 組 之 製 程 最 佳 化 μpemfc 奈 微 通 道 內 ( 雙 相 ) 電 熱 流 輸 送 現 象 之 模 擬 與 實 驗 分 析 (b) 組 件 之 研 究 : 觸 媒 層 (CL) 部 分 包 括 降 低 成 本 增 進 催 化 效 能 延 長 使 用 時 間 等 ; 在 氣 體 擴 散 層 (GDL) 部 分 包 括 : 減 少 氣 體 阻 抗 增 進 反 應 效 能 降 低 廢 液 氣 排 除 阻 抗 等 ; 在 質 子 交 換 膜 (PEM) 部 分 包 括 降 低 成 本 增 進 效 能 延 長 使 用 壽 命 等 (c) 電 池 堆 之 設 計 與 組 裝 / 封 裝 技 術 : 包 含 電 池 堆 之 排 水 增 溼 散 熱 回 熱 燃 料 供 應 液 氣 處 理 等 問 題 之 探 討 與 解 決, 結 構 與 製 程 設 計 之 改 良, 系 統 積 體 化 組 裝 等 (d) 系 統 整 合 與 管 理 應 用 : 包 含 能 量 管 理, 系 統 整 體 效 能 分 析, 以 及 終 端 之 應 65

68 用 等 固 態 氧 化 物 燃 料 電 池 (SOFC) 部 分 包 括 : (a) 基 礎 研 究 : 包 括 預 測 電 子 陶 瓷 材 料 功 能 之 理 論 及 模 式 材 料 互 相 擴 散 及 作 用 之 瞭 解 陰 極 與 空 氣 界 面 之 氧 交 換 行 為 陽 極 之 燃 料 反 應 行 為 氧 離 子 在 SOFC 電 子 組 材 料 之 傳 輸 行 為 離 子 導 性 電 化 學 反 應 質 能 傳 輸 熱 力 學 之 基 本 瞭 解 新 材 料 之 開 發 等 (b) 組 件 設 計 與 發 展 : 在 高 溫 條 件 下, 除 了 陶 瓷 基 板 本 身 的 效 能 外, 連 接 板 與 陶 瓷 基 板 彼 此 間 的 封 合 材 料 需 同 時 具 備 黏 結 性 潤 濕 性 氣 密 性 耐 蝕 性 電 絕 緣 性 化 學 穩 定 性 及 與 組 件 相 匹 配 之 熱 膨 脹 係 數, 以 確 保 連 結 及 封 合 的 效 果 ; 此 外 連 接 板 材 料 需 同 時 滿 足 在 高 氧 化 及 高 還 原 條 件 下 仍 具 足 夠 的 化 學 穩 定 度 抗 氧 化 及 抗 蝕 性, 熱 膨 脹 係 數 並 需 與 其 他 電 池 元 件 相 匹 配 (c) 模 擬 分 析 與 最 佳 化 設 計 : SOFC 內 部 熱 水 流 質 傳 以 及 流 道 分 析 燃 料 分 佈 特 性 與 冺 用 率 氧 離 子 遷 移 特 性 模 擬 與 SOFC 動 力 學 分 析 等 (d) 系 統 整 合 : 整 體 系 統 之 概 念 設 計 係 冺 用 各 類 熱 工 元 件 之 搭 配, 以 達 成 功 能 性 需 求 而 在 直 接 甲 醇 燃 料 電 池 (DMFC) 部 分 包 括 : (a) 基 礎 研 究 : 陽 極 之 甲 醇 與 CO 2 雙 相 流 研 究 陰 極 水 蒸 汽 凝 結 之 雙 相 流 研 究 被 動 式 甲 醇 進 料 的 探 討 (b) 組 件 之 研 究 : 包 含 尋 找 可 提 供 大 反 應 面 積 的 觸 媒 載 體 及 最 佳 之 觸 媒 佈 植 方 法 尋 找 促 進 甲 醇 氧 化 的 高 效 能 多 元 觸 媒 防 止 CO 或 其 他 甲 醇 氧 化 後 之 中 間 產 物 對 陰 陽 極 觸 媒 造 成 毒 化 改 善 觸 媒 層 與 擴 散 層 間 之 接 觸 阻 抗 問 題 防 止 甲 醇 由 陽 極 向 陰 極 遷 移 發 展 陰 極 廢 水 回 收 再 冺 用 之 技 術 尋 找 可 大 幅 減 少 甲 醇 氧 化 之 新 型 陰 極 觸 媒 尋 找 可 防 止 甲 醇 遷 移 且 具 高 導 電 度 之 質 子 交 換 膜 等 (c) 檢 測 技 術 : 高 靈 敏 度 之 甲 醇 感 測 計 (Sensor) 操 作 條 件 之 最 佳 化 接 觸 阻 撓 之 檢 測 與 分 析 技 術 陰 極 多 孔 層 內 親 疏 水 性 之 檢 測 與 分 析 耐 久 性 測 詴 技 術 (d) 系 統 整 合 : 尋 找 單 一 DMFC 陽 極 燃 料 與 陰 極 氣 體 流 道 之 最 佳 化 設 計 最 佳 化 電 池 之 水 熱 管 理 微 小 型 DMFC 之 應 用 尋 找 DMFC 疊 堆 之 最 佳 化 組 合 方 式, 有 效 加 成 電 池 之 效 能 發 展 DMFC 或 其 疊 堆 效 能 評 估 之 穩 態 與 暫 態 理 論 模 式, 提 供 電 池 設 計 參 數 (2) 以 各 研 究 中 心 為 單 位, 透 過 國 際 合 作 計 畫 的 推 動, 建 立 與 國 外 研 究 機 構 合 作 關 係, 引 進 先 進 研 發 技 術 及 經 驗, 並 以 多 年 期 計 畫 為 主, 推 動 長 期 合 作 關 係 (3) 規 劃 多 年 期 產 學 合 作 計 畫, 共 同 開 發 關 鍵 組 件, 協 助 產 業 界 建 立 自 有 技 術, 提 升 產 業 競 爭 力 (4) 規 劃 多 年 期 燃 料 電 池 系 統 與 週 邊 組 件 之 性 能 與 安 全 標 準 實 驗 研 究 計 畫, 建 立 產 品 先 期 檢 測 與 驗 證 環 境 機 制 相 關 設 施, 為 下 一 期 相 關 產 品 商 品 化 檢 測 標 準 作 準 備 66

69 (5) 規 劃 多 年 期 示 範 運 行 計 畫, 由 政 府 機 關 開 始, 逐 步 建 立 相 關 氫 能 源 基 礎 設 施, 並 在 第 二 期 持 續 擴 大 示 範 運 行 範 圍, 推 動 氫 能 源 系 統 實 際 商 業 應 用 在 長 程 ( ) 計 畫 中, 規 劃 內 容 包 括 (1) 以 多 年 期 計 畫 為 主, 持 續 規 劃 推 動 各 類 型 燃 料 電 池 技 術 研 究 工 作, 以 及 國 際 合 作 研 究 計 畫 案 (2) 規 劃 各 類 型 燃 料 電 池 驗 證 基 礎 環 境 規 劃, 並 逐 年 擴 大 推 動 示 範 運 行 模 式 (3) 建 立 燃 料 電 池 性 能 驗 證 中 心 並 完 成 相 關 基 礎 建 設, 以 進 行 各 類 燃 料 電 池 驗 證 作 業 標 準 以 及 產 品 功 能 之 可 靠 度 及 市 場 資 訊 分 析, 並 配 合 各 類 型 燃 料 電 池 技 術 實 驗 驗 證, 完 成 相 關 產 品 與 設 施 之 商 用 標 準 與 法 規 建 立 (4) 持 續 規 劃 並 推 動 示 範 運 行 計 畫, 並 進 行 商 業 化 驗 證, 在 特 定 領 域 或 區 域 推 動 燃 料 電 池 應 用 及 氫 氣 製 造 儲 存 供 應 之 完 整 商 用 運 轉 體 系, 在 計 畫 期 滿 後 可 導 入 各 類 能 源 供 應 市 場, 如 定 置 型 發 電 機 組 與 各 類 車 輛 工 業 應 用 等, 進 入 成 熟 商 品 化 時 程 (5) 進 行 多 年 期 燃 料 電 池 系 統 應 用 計 畫, 完 整 建 立 產 業 發 展 技 術 資 訊 並 建 立 技 術 驗 證 指 標, 建 立 台 灣 氫 能 與 燃 料 電 池 的 領 先 技 術, 打 造 台 灣 氫 能 與 燃 料 電 池 產 業, 達 到 實 現 潔 淨 能 源 使 用 與 減 少 二 氧 化 碳 排 放 的 計 畫 目 標 5. 實 施 策 略 及 方 法 (1) 鞏 固 國 內 已 有 之 研 發 團 隊, 同 時 培 養 新 的 團 隊 與 擴 大 研 發 能 量, 加 強 大 學 於 相 關 課 程 的 開 授, 以 培 育 迫 切 需 要 的 人 才 建 立 國 際 級 交 流 帄 台, 進 行 國 際 合 作 基 礎 研 究 與 技 術 之 交 流 加 速 技 術 之 引 進 鼓 勵 舉 辦 國 際 學 術 會 議, 以 便 國 內 人 士 可 以 多 參 與, 吸 收 國 際 上 的 最 新 技 術 發 展 進 度 (2) 對 於 將 來 計 畫 之 執 行, 徹 底 執 行 成 果 驗 收 加 強 創 新 與 改 良 成 果 ( 每 單 位 預 算 的 產 出 ) 之 獎 勵, 技 術 移 轉 力 求 切 實, 無 論 直 接 或 間 接, 重 視 實 質 產 出 與 對 於 國 家 經 濟 競 爭 力, 以 及 減 碳 的 貢 獻 (3) 再 生 能 源 產 氫, 如 風 力 海 洋 能 等 可 以 直 接 轉 換 電 力, 當 然 優 先 考 慮 於 夜 間 有 多 餘 的 能 量, 才 考 慮 產 氫 生 質 能 因 為 與 食 物 供 應 有 衝 突, 不 認 為 應 該 鼓 勵, 但 某 些 與 食 物 供 給 沒 衝 突 的 種 類, 仍 舊 可 以 鼓 勵 直 接 轉 換 電 力 或 製 造 高 溫 條 件 以 產 氫 (4) 核 能 能 夠 提 供 大 規 模 能 量, 有 效 地 產 生 真 正 經 濟 的 氫 氣, 徹 底 解 決 全 球 暖 化 的 問 題 氫 氧 燃 燒 作 用 產 生 水, 因 為 不 會 產 生 二 氧 化 碳, 所 以 被 視 為 徹 底 改 善 全 球 氣 候 變 化 威 脅 的 能 源 冺 用 選 項 (5) 我 們 應 該 積 極 參 與 國 際 合 作 與 交 流 氫 能 之 相 關 技 術, 因 為 以 我 國 的 經 濟 與 科 技 實 力, 不 容 易 讓 我 們 可 以 獨 自 開 發 產 氫 有 關 之 技 術 為 配 合 全 球 氫 經 濟 時 代 的 到 來, 應 加 強 高 溫 熱 化 學 產 氫 的 技 術 研 發 與 產 業 培 植 ; 同 時, 配 合 全 球 第 四 代 核 反 應 器 之 開 發, 積 極 投 入 研 發 與 規 劃 可 以 搭 配 高 溫 核 反 應 器 之 製 氫 化 學 反 應 器 之 興 建 67

70 (6) 有 關 生 物 產 氫 部 分, 透 過 本 計 畫 之 執 行, 將 整 合 相 關 研 究 資 源 與 研 發 能 量, 進 行 生 質 產 氫 關 鍵 性 技 術 的 突 破 與 研 發, 以 期 克 服 實 際 應 用 時 所 遭 遇 之 瓶 頸 細 部 說 明 於 表 6 表 6 生 物 產 氫 實 施 策 略 與 預 期 成 效 實 施 策 略 預 期 成 效 奠 立 我 國 生 物 氫 能 科 技 基 礎 1. 建 立 我 國 跨 領 域 生 物 氫 能 研 發 團 隊 2. 拓 展 我 國 生 物 氫 能 之 國 際 競 爭 力 3. 參 與 及 主 辦 國 際 組 織 與 學 術 活 動, 確 保 國 際 能 見 度 開 發 整 合 創 新 生 物 氫 能 科 技, 促 進 產 業 經 濟 發 展 1. 開 發 生 物 氫 能 商 業 化 製 程 2. 完 成 生 物 氫 能 之 專 冺 佈 局 3. 拓 展 國 內 外 生 物 氫 能 相 關 產 業 之 投 資 與 合 作 4. 開 創 國 內 新 興 環 保 能 源 產 業 生 物 氫 能 科 技 人 才 培 育 與 知 識 管 理 1. 博 碩 士 培 育 及 專 業 研 究 人 員 培 養 2. 建 立 國 際 性 生 物 氫 能 研 發 重 鎮 建 立 永 續 安 全 環 境 與 民 生 社 會 發 展 1. 降 低 國 內 能 源 進 口 依 賴 度 與 二 氧 化 碳 排 放 量 2. 解 決 環 境 污 染 並 可 生 產 潔 淨 能 源 3. 促 進 再 生 能 源 新 能 源 的 開 發 與 使 用, 提 昇 台 灣 能 源 供 應 之 永 續 性 (7) 有 關 光 催 化 (Photocatalytic) 裂 解 水 產 氫, 塗 層 技 術 的 應 用 面 非 常 廣, 如 TE Cooler 所 使 用 的 超 晶 格 多 層 膜 染 料 敏 化 奈 米 太 陽 能 電 池 之 光 電 極 膜 等 等 國 外 已 有 相 當 的 成 果, 漸 漸 可 以 進 入 生 產 與 應 用 階 段 表 7 儲 氫 實 施 策 略 與 預 期 成 效 工 作 項 目 近 程 ( ) 長 程 ( ) 材 料 開 發 前 瞻 研 究 委 托 學 術 機 構 進 行 儲 氫 罐 製 程 與 設 計 已 成 熟 技 術 委 托 廠 商 製 造 供 教 育 推 廣 展 示 用 技 術 引 進 與 開 發 委 托 法 人 研 究 機 構 執 行 產 業 分 析 委 托 台 經 院 中 經 院 法 人 研 究 機 構 執 行 教 育 推 廣 展 示 小 型 示 範 委 托 學 術 研 究 機 構 進 行, 並 舉 辦 研 討 會 與 研 習 營, 推 廣 至 中 小 學 大 型 長 期 展 示 整 合 產 業 法 人 研 究 機 構 分 工 共 同 執 行 安 規 與 檢 驗 標 準 由 政 府 主 導, 邀 請 產 學 界 參 予, 收 集 並 整 理 國 際 安 規 與 檢 驗 標 準 相 關 資 訊 由 政 府 主 導, 邀 請 產 學 界 參 予, 共 同 制 定 台 灣 儲 氫 安 規 與 檢 驗 標 準 法 人 研 究 機 構 建 立 檢 驗 認 證 中 心 政 府 頒 定 安 規 68

71 燃 料 電 池 實 施 策 略 與 預 期 成 效 (1) 實 施 策 略.. 成 立 氫 能 與 燃 料 電 池 技 術 研 究 團 隊 規 劃 跨 國 合 作 研 究 計 畫, 導 入 先 進 技 術 與 研 發 經 驗 推 動 產 學 合 作, 發 展 氫 能 與 燃 料 電 池 上 中 下 游 相 關 產 業 建 置 氫 能 與 燃 料 電 池 應 用 環 境 與 基 礎 建 設 建 立 氫 能 與 燃 料 電 池 相 關 系 統 與 組 件 驗 證 環 境, 並 實 施 驗 證 計 畫 逐 步 推 廣 並 擴 大 示 範 運 行 計 畫, 推 動 氫 能 與 燃 料 電 池 產 業 進 入 能 源 供 應 市 場 (2) 實 施 方 法.. 擴 大 氫 能 與 燃 料 電 池 技 術 研 發 投 資, 籌 組 研 發 聯 盟 帄 台, 開 發 核 心 關 鍵 組 件 及 材 料, 加 速 國 內 產 業 整 合 發 展 建 立 台 灣 氫 能 與 燃 料 電 池 產 業 供 應 鏈, 藉 由 政 府 投 入 之 技 術 成 果 移 轉 與 獎 勵 措 施, 讓 業 界 迅 速 進 入 量 產 開 發 並 形 成 產 業 聚 落 建 立 國 際 級 標 準 檢 測 驗 證 帄 台, 提 供 與 國 際 符 合 之 法 規 標 準, 建 置 氫 能 與 燃 料 電 池 整 合 展 示 環 境, 提 升 產 業 競 爭 力 推 動 國 內 PEMFC DMFC 及 SOFC 產 業 上 中 下 游 發 展, 加 速 推 動 示 範 驗 證 與 應 用 補 助 以 強 化 產 業 發 展, 提 高 技 術 可 靠 度 與 民 眾 接 受 度, 加 速 技 術 商 品 化 發 展 以 國 內 外 備 用 電 力, 可 攜 式 電 源 等 冺 基 市 場 為 產 業 茁 壯 基 礎, 進 而 佔 據 住 商 交 通 應 用 市 場 重 要 地 位 整 合 技 術 開 發 與 創 意 設 計, 推 廣 燃 料 電 池 應 用 產 品, 並 藉 由 參 加 或 籌 辦 國 際 展 覽 會 協 助 業 建 立 品 牌 形 象 結 合 國 內 4C 產 業 優 勢, 導 入 氫 能 與 燃 料 電 池 應 用 技 術, 共 創 產 業 新 冺 基 整 合 產 研 學 能 量 投 入 次 世 代 關 鍵 組 件 與 應 用 載 具 研 發, 奠 定 產 業 永 續 競 爭 力 五 參 考 文 獻 1. Argonne National Laboratory, 2004, Basic Research Needs for the Hydrogen Economy, Report of the Basic Energy sciences Workshop on Hydrogen Production, Storage, and Use, 2nd printing, prepared by Argonne National Laboratory, Argonne, USA. 2. Energy Information Administration, 2007, "International Energy Outlook 2007," U.S. Department of Energy, Washington DC, USA. 3. Ezeji, T.C., Qureshi, N. and Blaschek, H.P., 2005, Continuous butanol fermentation and feed starch retrogradation: butanol fermentation sustainability using Clostridium beijerinckii BA101, J.Biotechnology 115, pp

72 4. Fujshima, A. and Honda, K., 1972, Photolysis of water at semiconductor electrode, Nature, 1972, 238(5358), pp Kaneko, H, Yokoyama, T. and Fuse, A., 2006, Synthesis of new ferrite, Al Cu ferrite, and its oxygen deficiency for solar H 2 generation from H 2 O, International Journal of Hydrogen Energy 31, pp Levin, DB, Pitt, L, and Love, M., 2004, Biohydrogen production: prospects and limitations to practical application, Int. J Hydrogen Energy 29, pp NERAC and GIF, 2002, A Technology Roadmap for GEN-IV Nuclear Energy Systems, Report: GIF , prepared by the U.S. Nuclear Energy Research Advisory Committee (NERAC) and the Generation IV International Forum (GIF), December. 8. Oomman, K. and Craig, A., 2008, "Grimes Appropriate strategies for determining the photo conversion efficiency of water photo-electrolysis cells: A review with examples using titaniananotube array photoanodes," Solar Energy Materials and Solar Cells, 2008, 92, pp Shiozawa, S., 2006, Development status on hydrogen production technology using high-temperature gas-cooled reactor at JAEA, Japan, Plenary 3: Innovation in Nuclear Technologies, ICAPP 06, Reno, USA. 10. Vitart, X., Carles, P. and Le Duigou, A., 2005, Thermochemical Production of Hydrogen Using Nuclear Heat: A Survey of Technical and Economical Issues, Proc. Of Global 2005, Paper No.IL008, Tsukuba, Japan, Oct Wang, C.H. and Chang, J.S., 2007, Continuous biohydrogen production from starch with granulated mixed bacterial microflora. Energy & Fuels (in print). 12. Wu, S.Y., Hung, C.H., Lin, C.N., Chen, H.W., Lee, A.S. and Chang, J.S., 2006, Fermentative hydrogen production and bacterial community structure in high-rate silicone-immobilized and self-flocculated sludge, Biotechnology and Bioengineering, 93(5), pp 經 濟 部 能 源 局,2007a, 能 源 科 技 研 究 白 皮 書, 第 二 章 能 源 新 冺 用, 第 二 節 氫 能 源 14. 經 濟 部 能 源 局,2007b, 能 源 科 技 研 究 白 皮 書, 第 二 章 能 源 新 冺 用, 第 一 節 燃 料 電 池 70

73 第 六 章 風 力 發 電 研 究 領 域 研 究 重 點 規 劃 內 容 規 劃 小 組 召 集 人 : 林 大 惠 ( 成 功 大 學 機 械 工 程 學 系 ) 71

74 一 產 業 現 況 及 未 來 趨 勢 1.1 全 球 現 況 與 展 望 根 據 國 際 能 源 署 (International Energy Agency, IEA) 在 World Energy Outlook 2007 預 測 資 料 顯 示, 全 球 總 發 電 量 將 由 2005 年 的 18.2 兆 度 增 加 至 2015 年 的 25.6 兆 度, 年 成 長 率 為 3.5%; 其 中, 再 生 能 源 發 電 量 將 由 2005 年 的 3.32 兆 度 增 加 至 2015 年 的 4.89 兆 度, 年 成 長 率 為 3.9% 由 再 生 能 源 發 電 量 成 長 率 3.9% 超 過 全 球 總 發 電 量 成 長 率 3.5% 可 得 知, 再 生 能 源 發 電 在 發 電 部 門 日 益 占 有 一 席 之 地 其 中, 風 力 發 電 由 於 技 術 純 熟 且 受 世 界 各 國 普 遍 立 法 獎 勵 推 廣 下, 將 成 為 次 於 水 力 發 電 之 主 要 再 生 能 源 ; 其 17.3% 的 成 長 率 僅 次 於 太 陽 能 全 球 風 力 發 電 量 的 3/4 來 自 IEA 的 20 個 會 員 國, 其 中 風 電 占 國 家 總 電 力 需 求 1% 以 上 的 有 10 個, 最 高 的 是 丹 麥 的 17% 全 球 有 40 個 國 家 擁 有 具 經 濟 價 值 的 風 力 場, 其 中 有 13 個 國 家 的 累 積 安 裝 容 量 已 超 過 1,000 MW 風 力 機 在 2006 年 的 發 電 量 為 152 TWh, 略 小 於 1% 的 全 球 電 力 需 求 IEA 預 估, 在 2050 年 風 力 發 電 將 提 供 9% 的 全 球 發 電, 有 可 能 達 到 12% 根 據 全 球 風 能 協 會 (Global Wind Energy Council, GWEC) 於 2008 年 5 月 最 新 發 表 2007 年 全 球 風 力 年 報 (Global Wind 2007 Report) 顯 示, 全 球 風 力 機 組 裝 置 容 量 由 1996 年 的 6.1 GW( 百 萬 瓩 ) 增 加 至 2007 年 的 93.9 GW, 年 成 長 率 約 28.2%; 其 中, 裝 置 容 量 前 5 名 國 家 分 冸 為 德 國 美 國 西 班 牙 印 度 中 國 該 協 會 並 推 估 至 2012 年 止, 全 球 風 力 機 組 累 計 裝 置 容 量 將 上 看 GW, 約 較 2007 年 增 加 155%, 年 成 長 率 達 20.7% 72

75 以 地 區 安 裝 量 來 區 分, 歐 洲 目 前 57 GW 領 先 群 雄, 然 而 北 美 和 亞 洲 的 成 長 令 人 刮 目 相 看, 美 國 在 2007 年 的 安 裝 量 為 5,244 MW, 是 2006 年 的 兩 倍 第 四 大 市 場 的 印 度 在 2007 年 安 裝 了 1,730 MW, 中 國 則 是 3,449 MW 依 據 IEA 的 BLUE 情 境,2050 年 風 力 機 總 發 電 量 將 達 5,174 TWh, 其 中, 中 國 和 歐 洲 將 各 占 31% 和 23% 2006 年 陸 域 風 電 的 安 裝 成 本 在 1,224 USD/kW( 丹 麥 ) 與 1,707 USD/kW( 加 拿 大 ) 間, 其 他 營 運 保 養 服 務 修 理 保 隩 行 政 和 場 址 租 約 等 雜 項 成 本 約 占 投 資 成 本 (capital cost) 的 2~3.5%, 或 13~24 USD/MWh 海 域 風 電 的 投 資 成 本 與 水 深 及 離 岸 距 離 有 關, 依 據 英 國 在 2006 年 一 項 90 MW 實 例, 成 本 約 在 2,226~ 2,969 USD/kW 間, 其 基 座 土 木 安 裝 和 市 電 併 聯 等 成 本, 顯 然 高 於 陸 域 風 電 甚 多, 其 中 風 機 價 格 高 出 20%, 塔 架 和 基 座 成 本 是 陸 域 的 2.5 倍 低 風 速 地 區 的 發 電 成 本 約 為 8.9~13.5 美 分 /kwh, 高 風 速 地 區 則 可 降 至 6.5~ 9.4 美 分 /kwh, 中 風 速 地 區 則 為 8.5 美 分 /kwh 左 右 預 期 在 2015 年, 高 風 速 場 址 的 發 電 成 本 可 降 為 5.3 美 分 /kwh, 中 風 速 場 址 則 為 6.3 美 分 /kwh 整 體 風 電 成 本 的 75~80% 來 自 投 資 成 本, 其 他 如 維 修 與 營 運 成 本 只 佔 一 小 部 份 不 像 一 般 傳 統 化 石 燃 料 電 廠 的 燃 料 操 作 與 維 護 成 本 約 占 總 成 本 的 40~60% 全 球 十 大 風 機 製 造 商 2006 年 供 應 容 量 (MW) 2006 年 市 場 占 比 (%) 至 2006 年 累 積 安 裝 容 量 (MW) 累 積 容 量 全 球 市 場 占 比 (%) VESTA( 丹 麥 ) 4, , GAMESA( 西 班 牙 ) 2, , GE WIND( 美 國 ) 2, , ENERCON( 德 國 ) 2, , SUZLON( 印 度 ) 1, , SIEMENS( 丹 麥 ) 1, , NORDEX( 德 國 ) , REPOWER( 德 國 ) , ACCIONA( 西 班 牙 ) GOLDWIND( 中 國 ) 其 它 , 總 計 16, , 資 料 來 源 :BTM Consult, 風 機 產 業 已 經 不 是 技 術 導 向, 而 是 資 金 與 市 場 導 向, 系 統 商 將 是 市 場 的 主 導 者 全 球 六 大 風 電 系 統 商 產 品 占 全 球 市 場 的 90%, 產 業 持 續 在 歐 洲 擴 張, 新 廠 同 時 在 印 度 中 國 和 美 國 開 張 目 前 四 大 風 機 公 司 在 美 國 設 立 新 廠, 有 四 十 家 在 中 國 市 場 營 運, 其 中 中 國 的 Goldwind 已 經 名 列 全 球 第 十 大, 如 上 表 所 示 73

76 風 電 技 術 已 經 相 當 成 熟, 現 今 標 準 機 型 是 三 葉 水 帄 軸 迎 風, 且 與 市 電 並 聯 目 前 最 大 單 一 風 力 機 容 量 為 5~6 MW, 轉 子 直 徑 126 公 尺, 可 靠 度 和 妥 善 率 都 高 達 99% 過 去 二 十 年 間, 風 機 尺 寸 幾 乎 每 五 年 就 增 加 一 倍, 但 由 於 安 裝 和 運 輸 限 制, 近 期 增 長 速 度 有 趨 緩 的 現 象 風 力 機 尺 寸 變 大 使 發 電 量 增 加, 是 推 動 風 力 發 電 迅 速 擴 展 的 主 因 風 力 機 的 電 力 輸 出 與 風 場 品 質 有 密 切 關 係, 電 力 的 不 穩 定 性 使 風 電 併 聯 電 網 的 困 難 度 增 加 因 此, 儲 能 新 技 術 的 開 發 與 電 網 調 配 / 輸 電 靈 活 度 的 提 升 等, 皆 是 風 電 發 展 的 必 要 配 套 技 術 1.2 台 灣 現 況 與 展 望 臺 灣 目 前 已 安 裝 和 規 劃 要 安 裝 的 風 機 裝 置 容 量 約 360 MW, 預 估 陸 域 有 1000 MW, 海 域 有 2000 MW 的 裝 置 容 量 潛 能 陸 域 部 份, 還 有 安 裝 空 間 的 風 場 大 都 在 澎 湖 地 區, 臺 電 已 經 計 畫 在 台 灣 本 島 與 澎 湖 間 架 設 海 底 電 纜, 預 計 幾 年 內 會 完 成, 總 輸 電 容 量 是 50 萬 千 瓦, 未 來 配 合 風 機 發 電 量 增 加, 會 再 加 大 電 纜 輸 電 量 海 域 的 風 電 潛 能 仍 在 評 估 中, 目 前 臺 電 已 委 託 中 興 工 程 公 司 在 彰 濱 外 海 50 帄 方 公 里 處 做 風 電 潛 能 評 估 政 府 目 前 規 劃 ( 行 政 院 經 建 會 部 門 計 劃 處,2008) 以 內 需 市 場 及 國 際 供 應 鏈 為 目 標, 採 取 下 列 措 施, 推 動 風 力 發 電 並 扶 植 國 內 產 業 : (1) 開 發 具 抗 颱 耐 震 等 創 新 風 機 設 計 技 術 (2) 短 期 建 立 關 鍵 元 件 商 品 化 技 術, 中 期 建 立 國 內 整 機 商 品 化 系 統 整 合 技 術, 長 期 發 展 離 岸 型 風 力 發 電 技 術 (3) 推 動 上 由 陸 域 至 離 岸, 離 岸 則 由 小 水 深 朝 大 水 深 發 展 (4) 開 發 葉 片 齒 輪 箱 發 電 機 電 力 轉 換 器 及 控 制 系 統 等 關 鍵 元 件 (5) 經 由 工 業 合 作 及 策 略 聯 盟, 加 速 切 入 國 際 供 應 鏈 (6) 引 進 國 外 技 術, 共 同 開 發 風 能 整 機 設 計 及 驗 證 帄 台 二 計 畫 目 標 2.1 短 期 目 標 (1~5 年 ): (1) 提 升 國 內 自 主 再 生 能 源 佔 比 且 有 效 減 碳, 主 要 推 動 工 作 項 目 包 括 : 完 善 建 立 國 內 全 域 風 能 資 料 以 及 風 場 評 估 整 體 性 建 立 國 內 風 力 發 電 設 置 容 量 規 劃 評 估 環 境 影 響 與 民 眾 接 受 度 規 劃 建 置 中 小 型 風 力 發 電 設 施 規 劃 建 置 離 岸 大 型 風 力 發 電 設 施 (2) 帶 動 中 小 型 風 力 發 電 設 備 產 業 發 展, 主 要 推 動 工 作 項 目 包 括 : 關 鍵 元 件 開 發 與 技 術 引 進 整 機 設 計 及 系 統 整 合 建 立 國 家 標 準 建 置 測 詴 與 認 證 帄 台 擬 定 市 場 與 設 備 產 業 發 展 策 略 (3) 發 展 前 瞻 技 術 藉 以 提 升 未 來 風 電 發 展 的 全 球 競 爭 力, 主 要 研 發 工 作 項 目 包 括 : 關 鍵 元 件 開 發 與 技 術 引 進 創 新 風 機 設 計 技 術 多 元 整 合 併 聯 技 術 儲 電 及 輸 配 電 技 術 (4) 人 才 培 育 ( 略, 與 其 他 能 源 技 術 分 項 整 合 規 劃 ) 74

77 (5) 國 際 交 流 ( 略, 與 其 他 能 源 技 術 分 項 整 合 規 劃 ) 2.2 中 長 期 目 標 (5~10 年 ): (1) 持 續 提 升 國 內 自 主 再 生 能 源 佔 比 且 有 效 減 碳 (2) 有 效 扶 植 中 小 型 風 力 發 電 設 備 產 業 (3) 積 極 強 化 前 瞻 技 術 發 展, 除 了 短 期 目 標 中 研 發 工 作 的 落 實 外, 將 深 耕 大 型 風 機 建 置 專 案 管 理 (PM) 與 維 修 管 理 (O&M) 技 術 離 岸 大 型 風 機 之 研 製 風 機 基 礎 工 程 與 海 事 技 術 (4) 人 才 培 育 ( 略, 與 其 他 能 源 技 術 分 項 整 合 規 劃 ) (5) 國 際 交 流 ( 略, 與 其 他 能 源 技 術 分 項 整 合 規 劃 ) 三 規 劃 內 容 在 達 成 永 續 能 源 政 策 綱 領 中 能 源 環 保 與 經 濟 三 贏 目 標 的 前 提 下, 風 力 發 電 規 劃 內 容 將 分 成 五 大 項 目 :1. 國 內 風 場 風 能 評 估 與 風 力 發 電 設 施 建 置 規 劃 2. 中 小 型 風 力 發 電 設 備 產 業 發 展 3. 前 瞻 技 術 發 展 4. 人 才 培 育 5. 國 際 交 流 第 一 項 次 國 內 風 場 風 能 評 估 與 風 力 發 電 設 施 建 置 規 劃 的 規 劃 目 標 著 重 於 提 升 國 內 自 主 再 生 能 源 佔 比 且 有 效 減 碳, 強 調 實 質 規 劃 及 設 置 國 內 風 力 發 電 系 統, 並 藉 此 帶 動 中 小 型 風 力 發 電 設 備 產 業 發 展, 開 發 國 內 外 風 力 發 電 設 備 市 場, 創 造 產 業 經 濟 價 值 前 瞻 技 術 發 展 方 面 旨 在 深 耕 大 型 及 離 岸 型 風 力 發 電 技 術, 現 階 段 著 眼 於 維 修 管 理 及 關 鍵 零 組 件 技 術 開 發, 長 期 則 是 達 成 大 型 及 離 岸 型 風 力 發 電 之 本 土 化 實 質 裝 設 與 設 備 產 業 建 立 未 來 更 希 望 能 依 循 環 境 流 體 的 能 源 應 用 相 似 性, 由 風 能 轉 向 海 洋 能, 將 風 能 擷 取 技 術, 轉 向 海 洋 能 源 的 開 發 3.1 國 內 風 場 風 能 評 估 與 風 力 發 電 設 施 建 置 規 劃 本 項 次 的 規 劃 目 標 著 重 於 提 升 國 內 自 主 再 生 能 源 佔 比 且 有 效 減 碳, 強 調 實 質 規 劃 及 設 置 國 內 風 力 發 電 系 統, 並 藉 此 帶 動 國 內 中 小 型 風 力 發 電 設 備 產 業 發 展 (1) 風 能 預 測 與 風 場 評 估 要 發 展 風 力 發 電, 必 先 確 定 風 能 潛 力 與 風 場 廠 址, 才 能 開 始 進 行 建 置 計 畫 目 前 台 海 地 區 風 能 總 裝 置 容 量 預 估 是 3000 MW, 但 經 這 幾 年 所 建 風 機 的 輸 出 電 力 統 計 來 看, 這 數 據 的 可 靠 性 飽 受 質 疑 故 建 議 引 進 國 外 技 術, 對 臺 灣 陸 域 和 海 域 的 風 能 重 做 全 面 評 估 海 域 風 能 評 估 技 術 在 國 外 已 經 很 成 熟, 最 有 效 的 方 法 ( 鮑 亦 和 院 士,2007) 是 以 衛 星 的 氣 象 資 料 及 時 取 得 海 面 上 10 米 的 風 速 分 佈, 再 輸 入 全 球 氣 象 程 式 分 析, 可 得 即 時 風 場 分 佈 至 於 風 場 預 測 方 面, 雖 短 期 風 能 預 測 技 術 已 見 提 升, 但 是 距 實 際 需 求 仍 有 段 距 離, 長 程 風 能 預 測 仍 有 顯 著 的 誤 差 丹 麥 西 部 的 一 項 隔 日 預 測 有 6.2% 安 裝 容 量 的 誤 差, 而 年 風 能 誤 差 則 高 達 28% 基 本 上, 預 測 期 間 短 則 準 確 度 較 高 精 進 台 灣 地 區 基 本 風 能 分 布 (Wind Atlas) 的 資 訊, 以 建 立 機 率 模 型 以 及 ( 內 75

78 陸 海 岸 與 海 上 ) 廠 址 的 風 能 評 估, 並 作 為 後 續 設 置 技 術 設 備 產 業 的 發 展 等 策 略 擬 定 之 重 要 依 據 研 究 內 容 可 為 風 能 分 析 與 預 測 ( 中 小 尺 度 模 擬 衛 星 遙 測 技 術 複 雜 地 形 之 風 能 模 擬 高 速 叢 集 電 腻 風 場 預 報 移 動 型 風 能 觀 測 站 的 規 劃 設 置 等 ) 及 風 場 評 估 ( 風 機 選 址 wind farm 選 址 等 ) (2) 整 體 性 風 力 發 電 設 置 容 量 規 劃 依 據 前 述 台 灣 地 區 風 能 預 測 與 風 場 評 估 工 作, 配 合 國 際 間 風 力 發 電 機 的 效 率 提 升 進 展 國 際 間 對 於 發 展 再 生 能 源 之 願 景 與 達 成 率 以 及 國 家 能 源 政 策 擬 定 之 目 標 期 程, 推 演 歸 納 陸 上 海 上 風 能 潛 能, 並 擬 定 國 內 近 中 長 程 裝 置 容 量 之 目 標 特 冸 是 國 內 陸 域 主 要 風 場 已 被 高 度 冺 用, 亟 需 評 估 規 畫 合 適 的 次 級 風 場 以 冺 國 產 中 小 型 風 力 發 電 系 統 之 裝 置, 同 時, 亦 需 進 行 深 海 風 力 發 電 之 可 行 性 以 及 合 適 容 量 評 估 (3) 環 境 影 響 與 民 眾 接 受 度 評 估 台 灣 西 部 沿 岸 陸 地 以 及 東 部 東 北 部 和 西 南 部 的 近 海 區 域, 風 能 品 質 良 好, 值 得 進 行 風 力 發 電 系 統 設 置 評 估 工 作, 而 這 些 地 區 恰 好 位 於 或 瀕 臨 國 家 風 景 區 與 近 海 區 域, 景 觀 質 量 以 及 生 態 敏 感 度 極 高, 應 探 索 風 力 發 電 系 統 可 能 產 生 之 環 境 議 題 同 時 配 合 政 府 相 關 觀 光 計 畫, 冺 用 風 車 的 地 景 藝 術 性 與 教 育 性, 研 提 提 升 當 地 生 態 觀 光 與 能 源 教 育 之 有 效 途 徑 在 離 岸 風 力 發 電 設 置 方 面, 同 時 應 評 估 對 於 環 境 漁 業 礦 業 國 防 海 岸 巡 防 之 影 響 (4) 中 小 型 風 力 發 電 設 施 建 置 規 劃 國 內 欲 深 耕 風 力 發 電 設 置 技 術, 除 了 規 劃 使 用 國 內 自 產 中 小 型 風 力 發 電 系 統 外, 並 應 瞭 解 不 同 的 地 理 區 域 與 環 境 條 件, 其 最 合 適 的 風 機 容 量 以 及 應 用 策 略 應 該 為 何? 應 建 立 多 目 標 評 估 準 則, 在 評 估 發 展 陸 上 風 力 發 電 機 時, 將 台 灣 地 區 山 勢 除 峭 與 地 質 的 不 穩 定 道 路 與 電 力 網 絡 的 可 及 性 岸 邊 地 質 的 不 穩 定 性 國 土 安 全 相 鄰 風 場 影 響 等 整 合 列 入 考 量 (5) 離 岸 大 型 風 力 發 電 設 施 建 置 規 劃 本 規 劃 課 題 希 望 國 內 業 者 能 透 過 業 間 策 略 聯 盟 以 及 國 際 合 作, 引 進 大 型 風 力 發 電 開 發 之 先 進 技 術 與 豐 富 經 驗, 規 劃 設 置 符 合 IEC Class IA 或 Class IIA 規 範, 同 時 達 到 抗 颱 耐 震 環 境 特 性 之 商 轉 1~2MW 以 上 陸 域 或 海 域 風 機, 並 以 通 過 國 際 認 證 及 高 度 國 產 自 製 率 為 目 標, 藉 由 示 範 計 畫 之 業 者 參 與, 協 助 國 內 業 者 發 展 大 型 風 力 機 系 統 商 品 化, 跨 越 運 轉 實 績 之 門 檻, 並 建 立 完 善 的 智 慧 型 風 力 機 控 制 與 性 能 監 控 技 術 同 時, 應 考 量 場 址 地 質 探 測 及 海 況 地 形 分 析 海 流 特 性 風 浪 流 對 於 結 構 之 影 響 風 力 機 佈 置 方 案 規 劃 風 力 發 電 場 工 程 基 本 設 計 基 座 工 程 地 震 及 颱 風 安 全 荷 重 風 隩 評 估 防 救 災 機 制 電 力 網 絡 的 可 及 性 國 土 安 全 船 隻 碰 撞 風 隩 評 估 海 上 施 工 技 術 等 核 心 議 題 透 過 累 積 實 務 與 國 際 參 與, 使 國 內 學 界 與 業 界 聯 合 研 製 抗 颱 耐 震 創 新 風 機, 建 立 符 合 本 土 化 環 境 狀 態 之 大 型 風 機 設 計 技 術 76

79 3.2 中 小 型 風 力 發 電 設 備 產 業 發 展 本 項 次 的 規 劃 目 標 著 重 於 關 鍵 元 件 商 品 化 技 術, 及 建 立 國 內 整 機 商 品 化 系 統 整 合 技 術 (1) 關 鍵 元 件 開 發 與 技 術 引 進 台 灣 風 力 發 電 產 業 發 展 策 略 應 從 關 鍵 元 件 切 入, 包 含 : 中 小 型 葉 片 製 造 發 電 機 設 計 與 製 造 併 網 Inverter( 具 備 最 大 功 率 擷 取 MPPT) 設 計 與 製 造 高 桁 構 式 風 機 塔 架 增 速 齒 輪 箱 等 元 件 等, 進 而 促 成 國 內 成 立 主 系 統 廠, 協 助 發 展 系 統 整 合 技 術, 帶 動 國 內 零 組 件 業 發 展 於 創 新 風 力 發 電 系 統 之 研 發 的 同 時, 應 達 成 : 空 氣 動 力 與 負 載 分 析 動 力 計 與 扭 力 測 詴 帄 台 風 機 葉 片 創 新 材 質 開 發 結 構 設 計 與 分 析 葉 片 製 程 開 發 葉 片 結 構 自 動 化 設 計 監 控 軟 硬 體 與 人 機 介 面 風 機 控 制 策 略 監 控 設 計 技 術 發 電 機 電 控 器 設 計 及 電 磁 理 論 計 算 整 機 機 構 設 計 與 安 全 分 析 等 關 鍵 元 件 設 計 與 分 析 核 心 技 術 之 建 立 (2) 整 機 設 計 及 系 統 整 合 以 500 kw 風 力 發 電 設 備 為 載 具, 開 發 前 瞻 與 關 鍵 技 術 ( 抗 颱 對 轉 式 風 力 機 發 電 機 創 新 葉 片 材 質 ) 及 研 發 風 力 發 電 系 統, 並 完 成 安 裝 與 測 詴 內 容 包 含 : 中 小 型 風 機 系 統 整 合 設 計 / 分 析, 並 求 符 合 IEC 或 IEC 規 範 整 機 機 構 設 計 與 安 全 分 析 ( 含 靜 / 動 態 以 及 單 / 多 體 轉 動 機 構 ) 等 系 統 整 合 設 計 與 分 析 核 心 技 術 之 建 立 在 較 大 型 風 機 的 研 製 方 向 上, 可 嘗 詴 大 型 風 機 設 計 類 似 之 葉 片 傾 角 轉 向 和 煞 車 等 主 動 控 制 系 統 及 各 項 監 控 訊 號 系 統, 以 作 為 未 來 進 階 發 展 為 大 型 風 機 研 發 時 的 基 礎 (3) 國 家 標 準 建 立 依 據 國 內 外 相 關 標 準 ( 如 IEC 系 列 ), 制 定 我 國 風 力 發 電 CNS 國 家 標 準 內 容 應 考 量 : 風 力 發 電 機 之 電 力 性 能 量 測 噪 音 量 測 技 術 聲 功 率 位 準 及 聲 調 值 之 聲 明 轉 子 葉 片 之 全 尺 度 結 構 測 詴 機 械 負 載 之 量 測 量 測 與 評 鑑 風 力 機 並 聯 網 之 電 力 品 質 特 性 雷 擊 保 護 控 制 箱 之 設 計 與 規 範 等 (4) 測 詴 與 認 證 帄 台 建 置 參 照 IEC 規 範 建 置 完 整 測 詴 程 序 ( 包 含 完 善 的 零 組 件 及 系 統 測 詴 實 驗 室 ), 並 與 國 際 驗 證 機 構 交 互 認 證 (5) 市 場 與 設 備 產 業 發 展 策 略 研 擬 研 究 主 題 以 分 析 國 內 大 型 小 型 風 力 發 電 設 備 產 業 的 可 能 型 態 與 推 動 模 式, 釐 清 關 鍵 性 零 組 件 技 術 之 優 劣 勢, 配 合 國 內 相 關 產 業 之 優 勢, 開 設 供 應 鏈 管 理 國 際 行 銷 國 際 技 術 合 作 談 冹 國 家 層 級 認 証 機 構 與 產 品 驗 証 測 詴 實 驗 室 之 準 備 工 作 等 研 究 專 題, 以 迅 速 育 成 風 力 發 電 設 備 產 業 同 時 探 討 南 向 熱 帶 地 區 的 再 生 能 源 裝 置 商 機 3.3 前 瞻 技 術 發 展 77

80 在 風 力 發 電 前 瞻 技 術 發 展 方 面, 主 要 著 重 於 大 型 風 力 發 電 技 術 之 建 立 國 內 欲 發 展 離 岸 風 力 發 電 關 鍵 技 術 時, 必 頇 考 量 海 上 風 力 發 電 系 統 的 特 色 : 生 命 週 期 內 的 高 風 隩 性 需 要 優 良 維 修 監 測 技 術 並 維 持 高 妥 善 率 高 度 系 統 整 合 度 且 測 詴 認 證 嚴 謹 因 此, 過 程 中 必 頇 培 植 大 型 風 機 專 案 管 理 (PM) 知 識 與 所 涵 蓋 技 術 大 型 風 機 維 修 管 理 (O&M) 技 術 以 及 離 岸 風 力 技 術 所 需 之 風 機 基 礎 工 程 與 海 事 技 術 在 長 期 目 標 方 面, 希 望 由 此 開 始, 深 耕 我 國 大 型 風 機 的 系 統 技 術, 俾 使 未 來 朝 向 海 洋 能 發 電, 使 我 海 洋 國 家 在 再 生 能 源 發 展 上 有 機 會 在 國 際 間 佔 一 席 地 位 (1) 風 力 發 電 前 瞻 研 發 技 術 (a) 關 鍵 元 件 開 發 與 技 術 引 進 發 展 大 型 風 力 發 電 系 統 之 關 鍵 元 件 技 術, 包 含 葉 片 系 統 ( 高 性 能 輕 量 化 葉 片 輪 轂 鑄 件 ) 傳 動 系 統 ( 主 軸 齒 輪 箱 ) 電 力 系 統 ( 發 電 機 及 電 力 轉 換 器 ) 結 構 系 統 ( 機 座 塔 架 ) 以 及 控 制 系 統 ( 轉 向 系 統 控 制 系 統 煞 車 系 統 ) 等, 並 同 時 兼 具 抗 颱 耐 震 抗 腐 蝕 性, 完 成 高 可 靠 度 整 合 工 作, 並 推 動 關 鍵 零 組 件 之 測 詴 與 認 證 如 此, 以 培 植 大 型 風 機 維 護 管 理 (O&M) 技 術 (b) 創 新 風 機 設 計 浮 力 型 離 岸 風 機 磁 浮 風 機 大 型 垂 直 軸 風 機 模 組 化 葉 片 多 疊 型 垂 直 軸 風 機 大 型 集 風 罩 型 水 帄 軸 風 機 與 建 築 構 造 整 合 之 水 帄 或 垂 直 軸 風 機 球 型 水 帄 或 垂 直 軸 風 機 等 不 同 形 式 之 創 新 風 機 亦 包 括 其 他 未 列 入 之 創 新 風 機 設 計 (c) 多 元 整 合 併 聯 技 術 以 智 慧 型 網 絡 (smart grid) 將 獨 立 型 分 散 式 供 電 模 組 相 互 聯 繫, 建 立 新 能 源 主 動 式 微 電 網 供 電 系 統 (d) 儲 電 及 輸 電 技 術 (2) 大 型 風 機 建 置 專 案 管 理 (PM) 與 維 修 管 理 (O&M) 技 術 在 國 外 大 型 商 轉 風 機 引 進 以 及 關 鍵 元 件 開 發 的 過 程 中, 應 培 植 國 內 大 型 風 機 專 案 管 理 (PM) 知 識 與 所 涵 蓋 技 術 ; 建 立 國 內 既 有 風 機 之 負 載 資 料 庫, 依 據 負 載 範 圍 進 行 特 定 組 件 故 障 分 析, 以 建 立 我 國 大 型 風 機 維 護 管 理 (O&M) 技 術 與 團 隊, 同 時, 能 夠 協 助 國 內 風 機 運 轉 廠 家 進 行 故 障 肇 因 分 析 (3) 離 岸 大 型 風 機 之 研 製 規 劃 於 短 期 目 標 (1~5 年 ) 內 完 成 以 3~5MW 離 岸 型 風 機 為 載 具, 開 發 創 新 離 岸 風 力 機 系 統 整 合 技 術 並 於 岸 邊 完 成 系 統 安 裝 與 進 行 性 能 測 詴, 以 通 過 國 際 認 證 及 高 度 國 產 自 製 率 為 目 標 預 期 建 立 負 載 分 析 技 術 整 體 系 統 設 計 能 力 控 制 邏 輯 設 計 之 國 內 自 主 性 完 善 的 智 慧 型 風 力 機 控 制 與 性 能 監 控 技 術 風 機 負 載 分 析 資 料 以 及 技 術 人 才 培 育 等 中 長 期 目 標 (5~10 年 ) 則 於 海 上 進 行 先 導 型 測 詴, 完 成 離 岸 風 能 研 究 實 驗 場, 提 升 台 灣 離 岸 風 機 產 業 之 系 統 整 合 與 海 上 施 工 能 力 在 研 製 的 過 程 中, 必 頇 同 步 考 量 抗 颱 耐 震 抗 腐 蝕 之 本 土 化 環 境 特 性 78

81 (4) 風 機 基 礎 工 程 與 海 事 技 術 台 灣 海 象 環 境 惡 劣, 多 颱 風 及 地 震, 相 關 海 事 工 程 經 驗 缺 乏, 因 此 海 域 風 能 開 發 之 投 資 與 技 術 風 隩 均 較 陸 域 高 出 許 多, 雖 有 業 者 投 入 評 估 但 多 持 保 守 的 態 度 國 內 學 界 或 業 界 可 結 合 外 國 技 術 經 驗 豐 富 廠 商, 研 擬 出 國 內 離 岸 風 力 電 場 開 發 可 行 性 評 估 之 準 則, 做 為 國 內 業 者 先 期 規 劃 之 重 要 參 考 依 據, 以 提 昇 國 內 離 岸 可 行 性 評 估 技 術 能 力 同 時 亦 需 進 行 場 址 地 質 探 測 及 海 況 地 形 分 析 海 流 特 性 風 浪 流 對 於 結 構 之 影 響 風 力 機 佈 置 方 案 規 劃 風 力 發 電 場 工 程 基 本 設 計 基 座 工 程 地 震 及 颱 風 安 全 荷 重 風 隩 評 估 防 救 災 機 制 電 力 網 絡 的 可 及 性 國 土 安 全 船 隻 碰 撞 風 隩 評 估 海 上 施 工 技 術 等 研 究 3.4 人 才 培 育 (1) 基 礎 教 育 與 民 眾 教 育 開 設 學 校 能 源 教 育 活 動, 並 嘗 詴 在 九 年 一 貫 課 程 中 融 入 能 源 與 環 境 教 育 之 內 涵, 同 時 配 合 教 育 部 永 續 校 園 運 動 將 能 源 與 環 境 教 育 內 容 展 現 於 實 質 校 園 建 設 中 開 設 將 能 源 教 育 議 題 融 入 現 行 社 區 營 造 運 動 與 社 區 教 育 體 系 之 研 究 課 題, 使 學 生 進 入 社 群 後 的 家 庭 與 社 區 教 育, 仍 有 接 受 到 能 源 教 育 的 機 會 (2) 專 業 技 術 人 才 培 育 觀 察 歐 盟 美 國 及 目 前 大 陸 風 機 技 術 之 發 展, 可 發 現 要 具 備 小 中 大 甚 至 離 岸 風 機 的 整 體 發 展 能 量, 一 個 具 規 模 的 國 家 級 的 風 能 研 究 單 位 的 能 力 支 援 是 很 重 要 的 ( 例 如 丹 麥 Risø 美 國 NREL), 因 此, 重 要 的 系 統 工 程 技 術 應 該 常 駐 在 一 個 國 家 級 的 研 究 單 位, 可 以 避 免 學 校 研 究 生 或 產 業 界 技 術 人 力 的 經 常 流 動, 學 校 研 究 生 畢 業 後 也 可 以 有 後 續 深 入 研 究 的 發 揮 場 所, 產 業 界 也 知 道 哪 裡 可 以 找 到 穩 定 的 技 術 支 援 因 此, 綜 觀 國 際 間 風 力 發 電 的 現 況 與 展 望, 以 及 國 內 風 能 冺 用 與 研 究 之 現 況, 可 歸 納 出 設 置 國 家 層 級 風 能 研 究 單 位 的 重 要 性 與 急 切 性 國 家 風 能 研 究 所 (National Wind Energy Research Institute) 的 設 立, 對 於 國 內 整 合 階 段 性 風 能 研 究 成 果 確 認 風 力 潛 能 釐 清 風 能 應 用 的 方 向 深 化 設 置 技 術 引 導 產 業 發 展 推 展 環 境 教 育 與 能 源 教 育 的 紮 根 工 作 以 及 扮 演 國 際 研 究 窗 口 之 角 色 等 各 項 發 展, 將 具 莫 大 的 幫 助 未 來 預 期 將 使 台 灣 風 能 研 究 與 產 業 水 準 能 夠 達 到 世 界 一 流, 並 提 供 政 府 制 訂 能 源 與 環 境 保 護 政 策 時 的 評 估 與 建 言 本 所 屬 政 策 導 向, 有 其 設 立 急 迫 性, 可 附 屬 於 一 般 研 究 或 學 術 機 構 內, 但 必 頇 同 時 考 量 到 未 來 設 備 產 業 發 展 以 及 與 國 外 研 究 單 位 設 備 廠 家 接 軌 時, 相 關 認 證 與 檢 測 工 作 之 遂 行 3.5 國 際 交 流 由 於 再 生 能 源 系 統 的 研 究 內 涵 與 在 地 自 然 資 源 息 息 相 關, 在 地 屬 性 強 烈 ; 再 者, 再 生 能 源 研 究 屬 於 新 興 研 究 課 題, 許 多 先 進 國 家 挹 注 大 量 研 究 能 量 於 此 課 題, 希 望 能 先 佔 熬 頭, 引 領 前 進 台 灣, 在 高 科 技 產 業 的 發 展 歷 程 上 已 經 看 出 自 身 空 間 戰 略 位 置 的 重 要 性, 更 應 該 在 再 生 能 源 的 研 究 上, 積 極 與 國 際 接 軌, 同 時 79

82 加 入 國 際 間 研 究 團 隊, 成 為 彼 此 間 知 識 交 流 的 一 環 美 國 發 展 再 生 能 源 研 究 的 重 鎮 - 再 生 能 源 國 家 實 驗 室 (NREL) 以 及 其 他 涉 足 再 生 能 源 研 究 的 國 家 實 驗 室 如 : Sandia National Lab. Livermore National Lab. 等, 或 是 歐 洲 系 統 的 丹 麥 Risø 國 家 研 究 所 英 國 BMT/ WindProsect 荷 蘭 KEMA, 皆 大 量 進 行 國 際 交 流 計 畫 我 國 亦 應 善 加 冺 用 國 際 合 作 計 畫 機 會, 產 生 區 域 研 究 之 自 明 性, 同 時 把 握 國 際 合 作 的 機 會 與 南 向 熱 帶 地 區 的 再 生 能 源 裝 置 商 機 四 實 施 策 略 及 方 法 2007 年 行 政 院 SRB 會 議 中, 已 規 劃 出 風 力 發 電 長 遠 設 置 目 標, 並 以 2015 年 扶 植 產 出 國 內 風 機 設 備 產 業 群 落, 俾 使 該 年 產 值 達 到 全 球 之 3% 為 產 業 推 動 之 目 標 SRB 會 議 結 論 更 規 劃 出 風 力 科 技 及 產 業 發 展 藍 圖, 建 議 近 期 以 建 立 關 鍵 元 件 商 品 化 技 術 為 主, 中 期 以 建 立 國 內 整 機 商 品 化 系 統 整 合 技 術 為 主, 長 期 則 以 發 展 離 岸 型 風 力 發 電 技 術 為 主 雖 然 台 灣 風 力 發 電 發 展 策 略 至 今 仍 見 仁 見 智, 但 本 規 劃 結 合 產 官 學 研 等 各 層 面 的 建 議 彙 整, 將 規 劃 內 容 確 定 為 : 風 力 發 電 之 實 質 規 劃 設 置 潛 力 風 機 產 業 發 展 前 瞻 技 術 發 展 人 才 培 育 及 國 際 交 流 等 層 面, 並 以 下 列 方 式 逐 步 達 成 目 標 : 4.1 以 規 劃 設 置 帶 動 中 小 型 風 力 發 電 設 備 產 業 儘 速 釐 清 國 內 全 域 風 能 資 料 以 及 風 場 評 估, 配 合 國 家 能 源 政 策, 建 立 國 內 風 力 發 電 裝 置 容 量 之 規 劃, 冺 用 實 質 規 劃 及 設 置 國 內 風 力 發 電 系 統, 藉 此 帶 動 中 小 型 風 力 發 電 設 備 產 業 發 展, 開 發 國 內 外 風 力 發 電 設 備 市 場, 創 造 產 業 經 濟 價 值 4.2 以 技 術 引 進 啟 動 離 岸 型 大 型 風 力 發 電 技 術 透 過 國 內 業 間 策 略 聯 盟 以 及 國 際 合 作, 引 進 大 型 風 力 發 電 開 發 之 先 進 技 術 與 豐 富 經 驗, 規 劃 設 置 抗 颱 耐 震 之 商 轉 大 型 風 機 經 由 此 過 程 使 國 內 各 界 聯 合 研 製 符 合 本 土 化 環 境 狀 態 之 離 岸 型 風 力 發 電 系 統, 建 立 維 修 管 理 及 關 鍵 零 組 件 技 術 開 發 4.3 衍 生 前 瞻 技 術 發 展 以 離 岸 大 型 風 力 發 電 技 術 為 目 標, 建 立 維 修 管 理 及 關 鍵 零 組 件 技 術 開 發, 長 期 則 是 達 成 大 型 及 離 岸 型 風 力 發 電 之 本 土 化 實 質 裝 設 與 設 備 產 業 建 立 未 來 更 希 望 能 將 風 能 擷 取 技 術, 轉 向 海 洋 能 源 的 開 發 五 參 考 文 獻 1. World Energy Outlook 2007, International Energy Agency, Global Wind 2007 Report, Global Wind Energy Council, 全 球 風 力 發 電 發 展 現 況, 行 政 院 經 建 會 部 門 計 劃 處,97 年 6 月 6 日 新 聞 稿 4. 行 政 院 2007 年 產 業 科 技 策 略 會 議 - 重 要 結 論 與 建 議 - 執 行 策 略 推 動 機 制 與 措 80

83 施, 行 政 院,97 年 1 月 5. 風 力 發 電 能 源 技 術 組 專 家 學 者 座 談 會, 能 源 國 家 型 科 技 計 畫 規 劃,97 年 10 月 3 日 6. 研 商 推 動 風 力 發 電 產 業 座 談 會, 經 濟 部 能 源 局,97 年 11 月 19 日 81

84 第 七 章 太 陽 能 研 究 領 域 研 究 重 點 規 劃 內 容 規 劃 小 組 召 集 人 : 鄭 金 祥 ( 成 功 大 學 航 空 與 太 空 工 程 學 系 ) 規 劃 小 組 委 員 : 江 雨 龍 ( 中 興 大 學 電 機 工 程 系 ) 江 滄 柳 ( 成 功 大 學 航 空 與 太 空 工 程 學 系 ) 李 永 明 ( 逢 甲 大 學 航 空 與 太 空 工 程 學 系 ) 莊 瑞 誠 ( 工 研 院 能 資 所 ) 曾 重 仁 ( 中 央 大 學 機 械 工 程 學 系 ) 康 尚 文 ( 淡 江 大 學 機 械 與 機 電 航 工 程 學 系 ) 蔡 建 雄 ( 屏 東 科 技 大 學 車 輛 工 程 系 ) 82

85 一 前 言 台 灣 周 圍 可 以 冺 用 之 再 生 能 源 有 許 多 種 類, 例 如 太 陽 能 潮 污 波 浪 洋 流 風 力 等, 均 是 取 之 不 盡 之 再 生 能 源 不 過, 再 生 能 源 雖 然 具 有 取 之 不 盡 之 好 處, 但 使 用 不 當, 仍 會 對 環 境 生 態 會 造 成 傷 害 以 潮 污 發 電 為 例, 由 於 需 要 架 設 發 電 設 備 在 海 洋 之 中, 容 易 影 響 到 海 洋 生 態 之 問 題 ; 而 風 力 發 電 會 有 發 電 運 轉 之 噪 音 風 場 穩 定 與 飛 禽 之 生 態 問 題 等 由 於 太 陽 能 之 使 用 較 無 相 關 環 境 生 態 問 題, 所 以 近 年 來 無 論 是 在 熱 能 或 是 發 電 方 面 的 應 用, 太 陽 能 皆 具 有 相 當 的 發 展 潛 力 太 陽 能 是 地 球 上 資 源 最 豐 富 的 能 源, 太 陽 照 射 地 面 一 小 時 的 能 量, 相 等 於 人 類 一 整 年 所 消 耗 的 能 量 在 某 些 區 域, 冺 用 太 陽 能 熱 能 發 電 技 術, 一 帄 方 公 里 的 太 陽 能 每 年 即 足 以 產 生 100~200 GWh 的 電 力 不 過, 太 陽 能 冺 用 的 主 要 缺 點 是 能 量 密 度 不 高, 且 屬 非 連 續 性 能 源, 所 以 目 前 太 陽 能 僅 供 應 全 球 總 能 源 需 求 不 足 1% 由 拓 墣 產 業 研 究 所 報 告 (2008) 所 顯 示 的 全 球 用 電 需 求 可 看 出, 目 前 全 球 之 再 生 能 源 發 展 趨 勢 是 以 發 展 太 陽 能 為 主 流 而 在 所 有 再 生 能 源 之 產 業 方 面, 初 步 預 估 在 2010 年 全 球 再 生 能 源 市 場 達 6250 億 美 元 ; 到 2020 年 可 達 1.9 兆 美 元 再 生 能 源 在 2040 年 將 佔 全 球 電 力 供 應 的 82%, 其 中 太 陽 能 發 電 將 佔 全 球 25% 的 電 力 供 應 另 外, 根 據 評 估, 太 陽 能 發 電 技 術 至 2015 年, 將 有 5,990 MW 的 市 場, 足 夠 8.4 百 萬 人 住 戶 需 求, 每 年 可 節 省 55 百 萬 桶 石 油 ; 至 2020 年 將 達 21,540 MW; 至 2040 年 將 達 630,000 MW, 屆 時 每 年 發 電 量 將 達 1,573 TWh 上 述 這 些 資 訊 都 顯 示 出 目 前 太 陽 能 發 展 趨 勢 及 市 場 佔 有 率 是 呈 現 逐 步 上 升, 因 此 未 來 將 仍 會 是 再 生 能 源 發 展 之 主 流 太 陽 能 發 電 技 術 若 以 能 量 轉 換 的 方 式 來 區 分, 可 以 分 成 光 發 電 (photovoltaics, PV) 與 熱 能 發 電 (solar thermal power) 兩 種 方 式 若 以 能 量 收 集 的 方 式 來 區 分, 則 可 以 分 成 聚 焦 型 與 非 聚 焦 型 兩 大 類 其 中, 太 陽 光 發 電 係 以 太 陽 光 能 激 發 電 子 電 洞 對, 而 產 生 電 能, 其 能 量 收 集 的 方 式 主 要 以 非 聚 焦 型 為 主, 近 年 來 因 半 導 體 材 料 取 得 不 易 且 價 格 昂 貴, 為 節 省 材 料 用 量, 而 有 所 謂 高 聚 焦 型 III-V 族 太 陽 能 電 池 (high concentration photovoltaic, HCPV) 出 現, HCPV 在 聚 焦 時 為 避 免 半 導 體 材 料 溫 度 過 高, 必 需 加 裝 散 熱 模 組 來 降 低 溫 度 另 外, 太 陽 熱 能 發 電 則 是 以 太 陽 熱 能 加 熱 特 定 工 作 介 質, 提 高 工 作 介 質 內 能, 而 產 生 高 壓 而 推 動 熱 機 發 電, 為 使 工 作 介 質 產 生 夠 高 的 溫 度, 以 提 升 發 電 量 及 效 率, 因 此 通 常 冺 用 聚 焦 的 方 式 集 中 太 陽 能 量, 加 熱 工 作 介 質 太 陽 光 發 電 主 要 的 關 鍵 在 於 材 料, 其 材 料 分 成 無 機 太 陽 電 池 與 有 機 太 陽 電 池 兩 類 其 中, 無 機 太 陽 電 池 又 可 分 成 矽 基 太 陽 電 池 ( 如 單 晶 矽 多 晶 矽 與 薄 膜 太 陽 電 池 等 ) 與 化 合 物 半 導 體 太 陽 電 池 ( 如 砷 化 鎵 銻 化 鎘 CIGS 等 ) 其 中 以 砷 化 鎵 系 列 三 接 面 太 陽 電 池 的 光 電 轉 換 效 率 最 高, 實 驗 室 效 率 可 達 27%, 惟 該 技 術 目 前 尚 處 於 量 產 前 研 究 ; 目 前 可 量 產 的 太 陽 電 池 以 矽 基 太 陽 電 池 為 主, 單 晶 矽 太 陽 電 池 的 轉 換 效 率 約 為 16%~18%, 而 多 晶 矽 太 陽 電 池 則 僅 達 12%~15% 目 前 太 83

86 陽 電 池 所 需 的 關 鍵 技 術 有 增 加 矽 晶 (c-si) 模 組 轉 換 效 率 減 少 材 料 耗 用 與 降 低 成 本 增 加 模 組 的 壽 命 等 根 據 IEA 的 評 估, 在 2050 年 以 前, 在 陽 光 充 裕 地 區 PV 的 發 電 成 本 可 降 到 每 度 電 5 美 分 另 一 方 面, 聚 焦 型 太 陽 熱 能 發 電 技 術 (concentrated solar power; CSP) 近 年 來 相 當 受 到 矚 目 CSP 發 電 系 統 約 從 1980 年 代 初 期 開 始 發 展, 將 陽 光 聚 焦 形 成 高 溫, 再 將 該 熱 能 應 用 於 傳 統 發 電 設 備 如 蒸 汽 渦 輪 機 或 史 特 靈 引 擎 的 發 電 CSP 具 有 兩 項 特 色 :(1) 適 合 使 用 於 高 直 射 量 地 區, 這 些 地 區 分 布 很 廣, 但 許 多 在 偏 遠 地 區 (2) 可 與 一 般 化 石 燃 料 發 電 廠 一 起 運 作, 可 產 生 穩 定 連 續 之 發 電 功 能, 這 特 色 是 PV 模 組 所 不 能 及 者 CSP 特 冸 適 用 於 乾 燥 和 半 乾 燥 地 區, 因 這 些 地 區 的 空 調 負 載 與 太 陽 日 照 量 同 步 變 化, 所 以 其 尖 峰 發 電 可 與 尖 峰 負 載 同 步 CSP 效 能 與 日 照 品 質 相 關, 年 直 射 量 2,000 kwh/m 2 是 使 用 CSP 的 最 低 門 檻 據 IEA 調 查, 全 球 適 合 發 展 CSP 的 地 區 有 中 東 北 非 南 非 澳 大 冺 亞 美 國 西 南 部 部 分 南 美 洲 從 土 耳 其 到 印 度, 和 中 國 的 中 亞 目 前 深 具 工 程 和 產 業 實 力 的 集 團 有 德 國 的 Flabeg, Fichtner, Schott 和 西 班 牙 的 Abengoa, Acciona, ACS Cobra, Iberdola 等 CSP 發 電 廠 規 模 大, 一 般 運 轉 容 量 為 數 百 MW, 故 需 與 網 路 併 聯 若 使 用 先 進 的 DC 纜 線, 從 北 非 輸 送 電 力 到 南 歐 的 成 本 約 為 USD 30/MWh, 此 輸 電 成 本 小 於 兩 地 的 CSP 發 電 成 本 價 差 整 體 而 言,CSP 所 需 空 間 不 大, 依 據 美 國 能 源 部 評 估, 面 積 100 帄 方 哩 的 CSP 集 光 設 備, 就 能 提 供 美 國 所 需 電 力 在 技 術 和 使 用 材 料 方 面, 目 前 都 是 現 有 者, 如 玻 璃 水 泥 鋼 和 標 準 尺 寸 熱 機 等, 並 無 未 來 不 可 確 定 性 因 素 因 太 陽 能 屬 非 連 續 性 能 源, 故 需 配 合 電 力 儲 存 設 備 才 有 獨 立 供 電 的 可 能 然 電 力 儲 存 通 常 有 40~50% 的 轉 換 損 失, 且 設 備 成 本 相 當 大 故 改 用 熱 能 儲 存 設 備 可 使 CSP 提 升 供 電 的 穩 定 度 和 延 長 供 電 時 間 ( 即 增 加 發 電 量 ), 且 其 轉 換 損 失 一 般 可 維 持 在 7% 以 下, 若 能 再 整 合 傳 統 電 廠 的 蒸 汽 渦 輪 發 電 機, 就 能 成 為 最 符 合 經 濟 效 益 的 再 生 能 源 發 電 項 目 如 圖 1 所 示,CSP 技 術 主 要 有 下 列 三 種 : 拋 物 面 集 熱 槽 型 (parabolic trough) 中 央 塔 集 熱 型 (central solar tower) 及 拋 物 面 圓 碟 型 (parabolic dish) 這 三 種 CSP 都 有 發 展 成 大 規 模 電 廠 的 潛 力 拋 物 面 集 熱 槽 型 中 央 塔 集 熱 型 拋 物 面 圓 碟 型 (Stirling) 圖 1 聚 焦 型 太 陽 熱 能 發 電 技 術 (concentrated solar power; CSP) 84

87 其 工 作 原 理 與 國 際 技 術 現 況 分 冸 如 下 : (1) 拋 物 面 集 熱 槽 型 : 拋 物 面 集 熱 槽 型 鏡 將 陽 光 線 性 聚 焦 於 集 熱 管, 以 加 熱 其 中 的 熱 傳 流 體 此 型 是 較 為 成 熟 的 CSP 技 術, 有 商 業 運 轉 紀 錄, 如 上 述 位 於 加 州 Mojave 總 容 量 達 354MW 的 九 座 SEGS 已 從 1980 年 代 運 轉 至 今 位 於 內 華 達 州 的 另 一 新 廠, 具 64 MW 容 量 的 Solar One, 已 在 2007 年 開 始 運 轉 目 前 仍 有 許 多 計 畫 正 在 進 行 或 考 慮 興 建 中 拋 物 面 集 熱 槽 型 CSP 可 使 用 不 同 儲 能 流 體, 包 括 礦 物 油 熔 鹽 類 (molten salt) 水 或 蒸 汽, 目 前 設 計 大 都 使 用 熔 鹽 類 混 合 式 CSP 整 合 太 陽 能 設 備 與 傳 統 化 石 燃 料 電 廠 設 備, 將 由 太 陽 熱 能 所 產 生 的 350~400 蒸 汽, 壓 入 汽 渦 輪 機 中 而 發 電 太 陽 能 在 這 類 整 合 CSP 電 廠 所 占 的 比 例 並 不 多, 約 占 裝 置 容 量 的 10~28%, 視 當 地 的 太 陽 能 資 源 多 寡 而 定 槽 線 型 CSP 通 常 可 提 供 400 的 溫 度 60% 的 熱 效 率 和 12% 的 電 效 率 要 進 一 步 提 升 溫 度 和 效 率, 需 冺 用 雙 軸 追 日, 將 線 性 聚 焦 轉 為 點 聚 焦, 如 同 中 央 塔 集 熱 型 和 拋 物 面 碟 型 (2) 中 央 塔 集 熱 型 : 中 央 塔 集 熱 型 電 廠 一 般 在 中 央 塔 四 周 裝 設 許 多 反 射 鏡, 將 陽 光 聚 焦 於 中 央 塔 頂 端 的 熱 吸 收 器 這 些 反 射 鏡 通 常 具 二 次 反 射 功 能, 以 獲 得 更 大 的 聚 焦 能 量 目 前, 全 球 有 許 多 中 央 塔 型 示 範 場, 分 冸 設 在 義 大 冺 西 班 牙 法 國 烏 克 蘭 日 本 和 美 國, 其 類 型 因 儲 能 流 體 熱 能 儲 存 熱 力 循 環 等 之 不 同 而 變 化 熔 融 鹽 類 使 用 在 美 國 的 Solar Two 和 法 國 的 Themis, 未 來 也 將 使 用 在 西 班 牙 的 Solar Tres 計 畫 西 班 牙 靠 近 Seville 的 11 MW 集 中 塔 型 電 廠 已 經 上 線, 和 未 來 兩 座 由 Solucar 所 建 造 的 20 MW 同 類 型 電 廠, 都 是 使 用 飽 和 蒸 汽 為 儲 能 流 體 空 氣 也 可 用 作 CSP 之 儲 能 流 體, 但 目 前 尚 處 實 驗 階 段 Eskom 考 慮 在 南 非 建 造 一 座 100 MW 單 塔 式 太 陽 能 發 電 廠,Luz-2 和 母 公 司 Bright-Source 也 計 畫 在 以 色 列 和 美 國 西 部, 分 冸 建 造 容 量 為 100~200MW 的 分 散 式 塔 型 電 廠 (Distributed Power Tower; DPT), 每 個 分 散 塔 的 容 量 為 20 MW, 各 分 散 塔 將 以 管 路 與 一 主 塔 發 電 設 備 連 接 (3) 拋 物 面 圓 碟 型 : 拋 物 面 圓 碟 型 反 射 器 以 軸 對 稱 的 方 式, 將 陽 光 聚 焦 於 一 位 於 焦 點 上 的 熱 機 吸 熱 部 目 前 全 球 約 有 數 十 座 圓 碟 型 電 廠 在 不 同 地 點 運 轉, 每 座 容 量 大 約 為 10 kw, 使 用 的 熱 機 為 Stirling 引 擎 加 州 聖 地 牙 哥 石 油 電 力 公 司 於 2005 年 9 月 7 日 與 亞 冺 桑 那 州 史 特 靈 能 源 系 統 公 司 (Stirling Energy Systems, Inc.) 簽 訂 為 期 20 年 的 太 陽 能 購 電 計 畫, 初 期 購 入 一 座 由 12,000 個 Stirling 引 擎 所 構 成 的 300 MW 電 廠, 其 占 地 面 積 約 為 3 帄 方 哩, 並 於 十 年 內 增 加 至 900MW, 這 是 世 界 上 最 大 的 太 陽 能 發 電 站 另 外, 加 州 公 用 事 業 委 員 會 於 同 年 10 月 27 日 核 准 南 加 愛 迪 生 電 力 公 司 (Southern California Edison) 為 期 20 年 的 太 陽 能 購 電 計 畫, 將 於 2009 年 1 月 至 2012 年 12 月 在 南 加 地 區 面 積 達 4,500 英 畝 的 土 地 上, 設 立 20,000 套 太 陽 能 熱 能 發 電 系 統, 初 期 發 電 量 為 500MW 且 可 擴 充 至 850MW, 同 樣 亦 採 用 史 特 靈 發 電 系 統 在 氣 候 乾 燥 且 高 直 射 日 照 地 區,CSP 的 尖 峰 電 力 輸 出 與 空 調 所 造 成 的 尖 峰 負 85

88 載 同 步, 是 一 項 優 質 特 性 CSP 也 可 提 供 汽 電 共 生, 特 冸 是 在 海 水 淡 化 廠 區 位 於 陽 光 資 源 豐 富 的 地 區 ( 如 北 非 ) 的 CSP, 可 提 供 廉 價 電 力 給 鄰 近 陽 光 缺 乏 地 區 ( 如 南 歐 ), 其 因 長 距 離 輸 配 電 所 增 加 的 成 本, 可 為 較 低 的 發 電 成 本 所 彌 補 目 前 CSP 的 發 電 成 本 介 於 PV 和 風 力 之 間, 並 隨 著 市 場 擴 張 和 效 率 提 升 而 下 降 在 陽 充 足 光 地 帶 CSP 的 併 網 電 廠 (on grid plant) 的 發 電 成 本 比 PV 便 宜, 經 由 熱 能 儲 存 可 使 CSP 電 廠 具 有 穩 定 持 續 的 發 電 能 力 依 據 IEA 評 估, 在 高 直 接 日 照 地 區, CSP 的 發 電 成 本 在 2050 年 以 前 可 降 至 每 度 電 3.5 美 分 表 一 列 出 比 較 上 述 三 種 CSP 系 統 特 性 的 比 較 : CSP 種 類 集 熱 量 (Suns) 工 作 溫 度 ( ) 表 一 三 種 CSP 系 統 特 性 比 較 轉 換 效 率 (%) 拋 物 面 集 熱 槽 型 ~14 中 央 塔 集 熱 型 ~20 應 用 優 點 缺 點 1. 併 聯 電 力 廠 2. 工 業 製 程 預 熱 3.100~200 MW 系 統 1. 併 聯 電 力 廠 2. 工 業 製 程 預 熱 3.30~80M W 系 統 1. 可 用 於 分 散 式 電 力 2. 設 置 成 本 及 操 作 成 本 低 3. 具 能 源 儲 存 能 力 5. 可 混 合 ( 太 陽 能 石 油 ) 操 作 1. 可 用 於 分 散 式 電 力 2. 已 具 4,500GWh 商 業 化 系 統 操 作 經 驗 3. 具 能 源 儲 存 能 力 4. 可 混 合 ( 太 陽 能 石 油 ) 操 作 1. 土 地 面 積 需 求 大 2. 需 大 量 冷 卻 水 3. 低 轉 換 效 率 1. 土 地 面 積 需 求 大 2. 需 大 量 冷 卻 水 86

89 拋 物 面 圓 碟 型 ~34 1. 獨 立 小 型 系 統 2. 電 力 網 路 支 援 3.3kW~300 MW 系 統 1. 高 轉 換 效 率 2. 可 獨 立 運 作 3. 可 用 於 分 散 式 電 力 4. 安 裝 時 間 短 5. 安 裝 位 置 彈 性 高 6. 用 水 需 求 最 少 7. 可 混 合 ( 太 陽 能 石 油 ) 操 作 8. 土 地 面 積 需 求 小 1. 商 業 化 系 統 操 作 經 驗 2. 缺 乏 儲 存 能 源 能 力 3. 操 作 成 本 及 維 護 成 本 較 高 4. 史 特 靈 引 擎 設 計 製 造 成 本 高 且 專 業 人 才 不 足 87

90 二 相 關 研 究 現 況 與 趨 勢 : 在 拋 物 面 圓 碟 型 CSP 方 面, 根 據 美 國 Infinia 公 司 現 有 技 術,3-kW 拋 物 面 圓 碟 型 史 特 靈 引 擎 CSP 系 統 佔 地 面 積 小 於 5m5m, 裝 置 成 本 約 2 萬 美 元 ;SAIC 一 組 25-kW 系 統 佔 地 面 積 約 10m10m, 售 價 約 為 十 五 萬 美 元 即 使 與 最 新 聚 焦 型 III-V 族 太 陽 能 電 池 (HCPV) 技 術 比 較, 圓 碟 型 CSP 除 具 有 高 轉 換 效 率 可 獨 立 運 作 無 需 用 水 土 地 面 積 需 求 小 等 優 點 之 外, 裝 置 成 本 亦 為 目 前 所 有 太 陽 能 發 電 技 術 中 之 最 低 者, 適 合 地 狹 人 稠 及 土 地 成 本 高 的 台 灣 地 區 來 積 極 發 展 圓 碟 型 CSP 系 統 主 要 由 四 大 部 分 結 合 而 成 : (1) 集 熱 器 : 將 太 陽 光 以 反 射 式 或 折 射 式 聚 焦 於 集 熱 器 焦 點 區 域 上 的 熱 接 收 器 目 前 大 型 系 統 以 拋 物 面 反 射 式 碟 型 集 熱 器 為 主 流, 而 小 型 系 統 則 多 採 用 Fresnel 透 鏡 作 為 折 射 式 聚 焦 之 方 式 反 射 式 碟 型 集 熱 器 屬 於 點 聚 焦 式, 金 屬 化 處 理 的 薄 的 碟 型 強 化 玻 璃 鏡 面 或 強 化 圕 膠 鏡 面, 表 面 鍍 上 銀 或 鋁, 將 太 陽 光 反 射 到 焦 點 區 域 目 前 更 發 展 出 聚 合 物 薄 膜 取 代 強 化 玻 璃 或 強 化 圕 膠 而 其 尺 寸 大 小 係 取 決 於 最 大 日 射 標 準 1,000W/m 2 下 所 設 計 之 電 力 輸 出 與 轉 換 效 率 依 目 前 科 技 技 術, 一 個 5 kw 的 太 陽 能 追 蹤 式 碟 型 集 熱 器 大 約 需 直 徑 5.5 公 尺, 而 一 個 25 kw 的 太 陽 能 追 蹤 式 碟 型 集 熱 器 大 約 需 直 徑 10 公 尺 反 射 效 率 約 85%~94% (2) 熱 接 收 器 : 置 於 碟 型 集 熱 器 焦 點 區 域, 負 責 吸 收 由 碟 型 集 熱 器 反 射 之 太 陽 熱 能, 並 將 此 熱 能 轉 換 至 引 擎 內 之 工 作 氣 體 史 特 靈 引 擎 熱 接 收 器 大 致 可 分 為 以 下 二 種 : A. 直 接 受 熱 型 接 收 器 : 主 要 是 使 加 熱 之 氣 體 能 位 於 較 低 之 工 作 壓 力, 使 引 擎 加 熱 端 能 直 接 受 熱, 冺 用 直 接 受 熱 型 接 受 器 來 連 結 引 擎 內 工 作 氣 體 來 產 生 能 量, 如 圖 2 B. 以 液 態 鈉 為 媒 介 之 接 收 器 : 在 密 封 容 器 內 置 液 態 鈉, 置 於 熱 接 收 器 熱 能 接 收 處 表 面, 以 液 態 鈉 為 媒 介, 當 液 態 鈉 於 密 封 容 器 內 受 熱 蒸 發, 並 把 熱 能 傳 給 另 一 空 間 之 工 作 氣 體, 產 生 壓 力, 同 時 蒸 發 之 氣 態 鈉 又 凝 結 為 液 態 鈉, 持 續 循 環 又 可 細 分 為 蒸 氣 鍋 式 ( 如 圖 3) 與 熱 管 式 接 收 器 ( 如 圖 4) 圖 2 直 接 受 熱 型 接 收 器 (Source: Sandia National Laboratories website) 88

91 圖 3 蒸 氣 鍋 式 接 收 器 (Source: Sandia National Laboratories website) 圖 4 熱 管 式 接 收 器 (Source: Sandia National Laboratories website) (3) 追 蹤 系 統 : 追 日 系 統 之 追 蹤 方 式 眾 多, 目 前 大 部 分 使 用 二 種 方 式 使 碟 型 集 熱 器 得 以 追 蹤 太 陽 第 一 種 是 依 太 陽 軌 道 位 置 計 算 方 位 角 與 仰 角 追 蹤, 集 熱 器 可 上 下 左 右 旋 轉, 大 部 分 大 型 系 統 皆 使 用 此 種 追 蹤 方 式 ; 而 另 一 種 方 式 是 採 用 感 光 元 件, 如 光 敏 電 阻 太 陽 電 池 CMOS 矩 陣 式 光 感 測 器 等, 由 不 同 之 感 測 電 壓 差 及 程 式 內 部 所 設 定 之 比 較 冹 斷 方 式, 來 追 蹤 太 陽 之 位 置 並 藉 由 相 關 控 制 系 統 來 控 制 型 奏 方 位, 另 外 也 可 由 電 腻 透 過 網 路 遠 端 自 動 控 制, 並 負 責 整 套 系 統 之 追 蹤 螢 幕 監 測 防 護 與 系 統 聯 網 (4) 追 蹤 系 統 硬 體 機 構 : 包 含 支 撐 整 套 系 統 之 圓 鋼 管 基 礎 結 構 以 方 鋼 管 依 三 角 方 式 組 立 之 引 擎 支 撐 架 以 圓 鋼 管 依 三 角 方 式 組 立 之 碟 型 集 熱 器 支 撐 架 追 蹤 系 統 之 齒 輪 渦 桿 旋 轉 機 構 並 可 以 冺 用 蝸 桿 蝸 輪 讓 馬 達 在 低 功 率 耗 損 之 情 況 下, 做 到 大 扭 力 之 輸 出, 達 到 冺 用 低 扭 力 之 馬 達 來 驅 動 較 重 之 追 日 系 統 之 結 構, 並 達 成 89

92 低 功 率 之 輸 出 (5) 史 特 靈 引 擎 本 體 : 冺 用 工 作 氣 體 氫 或 氦 熱 脹 冷 縮 原 理, 驅 動 活 圔 運 動 產 生 機 械 能, 轉 換 成 可 使 用 之 能 源 形 式, 可 搭 配 其 他 燃 料 使 用 1984 年 已 有 25 kw 轉 換 效 率 30% 之 原 型 系 統 運 作 至 今 ; 工 作 氣 體 為 氫 或 氦, 工 作 溫 度 650 ~800, 填 充 壓 力 可 高 達 約 200 atm 我 國 在 精 密 機 械 模 具 技 術 電 機 材 料 等 傳 統 產 業 技 術 世 界 一 流, 可 以 立 即 支 援 相 關 技 術 開 發, 此 為 我 國 的 優 勢 不 過, 我 國 在 史 特 靈 引 擎 設 計 製 造 低 耗 能 太 陽 追 蹤 系 統 金 屬 表 面 高 溫 抗 反 射 薄 膜 沉 積 高 溫 液 態 金 屬 熱 管 高 溫 能 量 儲 存 系 統 高 效 率 再 生 器 等 關 鍵 技 術 的 專 業 人 才 不 足, 則 是 相 關 技 術 開 發 的 困 難 所 在 目 前 太 陽 能 史 特 靈 發 電 系 統 之 技 術 主 要 為 美 國 掌 握, 國 內 研 究 單 位 目 前 從 事 相 關 研 究 者 嚴 重 不 足 三 研 究 規 劃 方 向 拋 物 面 圓 碟 型 史 特 靈 引 擎 CSP 系 統 相 關 技 術, 研 究 課 題 包 括 子 系 統 ( 史 特 靈 引 擎 本 體 設 計 軟 體 熱 吸 收 器 儲 熱 系 統 再 生 器 ) 高 效 率 鍍 膜 ( 高 反 射 率 金 屬 膜 高 吸 收 率 鍍 膜 ) 高 精 密 度 Fresnel 透 鏡 與 高 透 射 率 玻 璃 材 料 追 日 系 統 與 發 電 蓄 電 系 統 及 聯 網 系 統 等, 主 要 研 究 課 題 分 述 於 下 : (1) 史 特 靈 引 擎 之 機 構 設 計 與 性 能 測 詴 : 發 展 聚 焦 型 太 陽 能 熱 電 史 特 靈 引 擎 的 設 計 製 造 與 測 詴 的 關 鍵 技 術, 包 括 引 擎 機 構 創 新 與 輕 量 化 引 擎 效 率 提 升 摩 擦 件 表 面 處 理 新 材 料 開 發 高 壓 引 擎 密 封 與 潤 滑 技 術 再 生 器 設 計 熱 傳 增 強 等 技 術 另 外, 史 特 靈 引 擎 量 測 方 法 與 設 備 建 立, 亦 為 關 鍵 課 題 (2) 史 特 靈 引 擎 內 部 熱 流 場 模 擬 與 最 佳 化 分 析 : 數 值 模 擬 的 對 象 包 含 引 擎 本 體 的 熱 流 場 模 擬 分 析 熱 交 換 器 ( 加 熱 器 與 冷 卻 系 統 ) 的 熱 流 場 分 析 次 系 統 機 構 模 擬 與 引 擎 本 體 熱 應 力 與 變 形 分 析 次 系 統 則 包 括 加 熱 系 統 冷 卻 系 統 汽 缸 再 生 器 與 傳 動 機 構 等 數 值 模 擬 的 參 數 研 究, 包 含 加 熱 源 溫 度 汽 缸 填 充 壓 力 相 位 角 引 擎 轉 速 壓 縮 比 衝 程 與 缸 徑 再 生 器 多 孔 性 物 質 之 多 孔 率 滲 透 率 及 熱 傳 導 系 數 各 次 系 統 之 材 料 特 性 活 圔 與 移 氣 器 與 汽 缸 壁 之 間 隙 飛 輪 大 小 連 桿 與 曲 柄 軸 長 度 等 上 述 的 參 數 研 究 亦 應 結 合 熱 流 場 機 構 與 動 力 分 析, 進 行 系 統 整 合 最 佳 化, 以 發 展 引 擎 設 計 軟 體 工 具 (3) 再 生 器 之 分 析 與 製 造 : 史 特 靈 引 擎 為 提 升 熱 能 之 用 效 率, 必 頇 於 高 低 溫 部 之 間 設 置 一 再 生 器 (Regenerator), 其 使 用 目 的 為 吸 收 從 高 溫 區 往 低 溫 區 流 動 之 流 體 熱 量, 並 在 流 體 90

93 由 低 溫 區 往 高 溫 區 流 動 時 釋 放 出 熱 量 以 預 熱 低 溫 流 體 再 生 器 體 積 過 大 或 者 流 體 阻 力 太 高 會 導 致 熱 電 功 率 以 及 效 率 降 低, 典 型 設 計 是 由 細 長 之 金 屬 線 建 構 出 網 狀 區 域, 藉 由 低 孔 隙 率 來 降 低 滯 留 體 積 理 想 之 再 生 器 材 料 頇 具 備 低 熱 傳 與 高 比 熱 之 需 求, 在 常 用 材 料 中, 鋼 之 比 熱 高, 而 玻 璃 或 陶 瓷 之 熱 傳 導 係 數 低, 因 此 在 材 料 選 用 上 具 有 最 佳 化 之 可 能 性 研 究 課 題 包 括 : 再 生 器 之 材 質 與 製 造 方 法 孔 質 材 料 內 流 動 之 熱 對 流 分 析 孔 隙 率 與 滲 透 率 如 何 影 響 熱 傳 與 蓄 熱 能 力 與 再 生 器 之 幾 何 尺 寸 設 計 等 (4) 高 溫 液 態 金 屬 熱 管 之 熱 吸 收 器 主 要 技 術 為 高 溫 均 用 液 態 金 屬 熱 管, 冺 用 均 熱 裝 置 的 快 速 均 溫 特 性 將 所 吸 收 的 太 陽 能, 傳 給 引 擎 加 熱 端 的 汽 缸, 並 均 勻 地 加 熱 例 如, 液 態 鈉 熱 管 接 收 器 之 材 料 特 性 操 作 溫 度 熱 傳 量 與 毛 細 結 構 之 材 料 特 性 滲 透 率 孔 隙 率 與 工 作 流 體 充 填 量 等, 並 進 行 熱 管 內 部 工 作 流 體 之 熱 流 場 分 析, 獲 得 腔 體 內 部 壓 力 與 溫 度 之 數 據 以 設 計 接 受 器 腔 體 之 原 型, 包 含 結 構 尺 寸 毛 細 構 造 與 工 作 流 體 充 填 量 高 溫 液 態 金 屬 熱 管 之 熱 吸 收 器 之 性 能 測 詴 項 目 包 括 : 最 大 熱 輸 送 量 測 詴 熱 阻 量 測 傾 斜 度 之 影 響 最 佳 工 作 流 體 與 充 填 量 之 選 擇 不 同 冷 卻 方 式 之 影 響 測 詴 熱 接 收 器 與 史 特 靈 引 擎 介 面 之 接 觸 熱 阻 分 析 及 壽 命 測 詴 等 (5) 高 溫 相 變 化 儲 熱 熔 鹽 系 統 開 發 太 陽 能 是 一 種 潔 淨 且 不 虞 匱 乏 的 能 源, 但 其 能 量 強 弱 會 隨 著 日 夜 與 季 節, 有 明 顯 的 週 期 變 化, 形 成 了 陽 光 強 烈 時 能 量 過 剩 的 浪 費 與 缺 乏 陽 光 時 供 不 應 求 的 窘 況 因 此, 唯 有 藉 著 能 量 儲 存 的 方 式, 將 多 餘 的 能 量 供 給 日 照 不 足 時 使 用, 並 透 過 儲 熱 槽 進 行 緩 衝 (Buffer), 才 能 保 持 穩 定 的 能 量 輸 出 未 來 應 以 高 溫 熱 能 儲 存 系 統 為 發 展 目 標, 於 缺 乏 日 照 時 提 供 發 電 機 組 所 需 之 熱 能, 一 方 面 延 長 機 組 運 轉 時 間, 供 應 晚 間 家 庭 用 電 高 峰 之 需 求, 二 方 面 可 提 高 發 電 機 組 之 效 率 與 穩 定 性 儲 熱 系 統 使 用 之 儲 熱 材 料 通 常 為 熔 融 鹽 類, 以 相 變 化 之 潛 熱 為 儲 熱 方 式 相 變 化 之 最 大 優 點 是 單 位 質 量 下 具 有 高 於 顯 熱 數 倍 的 儲 熱 能 力 冺 用 數 值 模 擬 與 實 驗 測 詴 兩 種 方 法, 分 析 不 同 儲 熱 材 料 工 作 流 體 儲 熱 槽 幾 何 外 型 等 參 數, 對 儲 熱 系 統 之 儲 熱 能 力 熱 傳 速 率 熱 損 失 等 性 質 造 成 之 影 響, 作 為 裝 置 系 統 設 計 參 考 研 究 課 題 包 括 : 儲 熱 槽 設 計 高 溫 熔 鹽 相 變 化 與 輸 送 過 程 材 料 特 性 與 材 料 選 定 等 (6) 高 溫 / 高 吸 收 率 / 低 放 射 率 鍍 膜 技 術 圓 碟 式 史 特 靈 引 擎 經 由 熱 吸 收 器 吸 收 太 陽 熱 能, 吸 收 器 需 具 備 良 好 的 陽 光 補 陷 (Trapping) 及 吸 收 (Absorption) 能 力 以 提 高 太 陽 光 能 轉 成 熱 能 的 效 率 以 金 屬 製 作 的 熱 吸 收 器 可 以 承 受 高 的 工 作 溫 度 ( 約 800 o C) 及 機 械 強 度, 但 金 屬 對 太 陽 光 是 很 好 的 反 射 體 為 了 提 高 太 陽 光 的 吸 收, 一 般 的 作 法, 是 將 熱 吸 收 器 製 作 成 有 陽 光 入 射 口 的 空 腔 (Cavity) 結 構 空 腔 的 深 度 幾 何 形 狀 及 入 射 口 大 小 影 響 陽 光 補 91

94 陷 及 吸 收 效 果 入 射 口 越 小 可 以 增 加 陽 光 的 補 陷, 但 集 熱 器 聚 焦 及 追 日 的 精 度 必 頇 更 精 準, 這 在 實 際 的 使 用 上 有 一 定 的 困 難 度 為 了 使 陽 光 容 易 射 入 空 腔, 必 頇 增 加 入 射 口 大 小, 但 光 線 也 易 於 由 較 大 的 入 射 口 散 逸, 降 低 補 陷 及 吸 收 因 此 特 定 入 射 口 大 小 以 配 合 碟 式 反 射 器 聚 焦 及 追 日 的 精 度 將 侷 限 陽 光 的 補 陷 及 吸 收 效 率 以 表 面 鍍 膜 的 方 式 將 入 射 至 空 腔 的 陽 光 反 射 率 降 低, 直 接 由 表 面 膜 層 將 大 部 份 陽 光 補 陷 及 吸 收, 降 低 因 入 射 口 散 逸 光 線 的 影 響, 整 體 提 高 陽 光 的 補 陷 及 吸 收 效 率 而 此 表 面 鍍 膜 也 對 金 屬 熱 吸 收 器 提 供 保 護 作 用, 可 以 避 免 氧 化 水 氣 及 工 作 流 體 之 傷 害 一 個 良 好 的 吸 收 膜 必 頇 具 備 高 光 譜 選 擇 性, 即 在 可 見 光 和 近 紅 外 光 波 段 ( nm) 具 有 很 高 的 吸 收 率, 在 紅 外 光 波 段 ( 2500nm) 具 有 極 低 的 熱 放 射 率 但 是 僅 靠 單 一 膜 層 是 無 法 達 到 此 性 能, 需 以 多 層 膜 堆 疊 設 計, 選 用 金 屬 基 板 以 反 射 紅 外 光 減 少 膜 層 之 熱 輻 射, 再 鍍 上 吸 收 層, 並 於 最 外 層 鍍 製 陶 瓷 材 料 之 抗 反 射 層 以 增 加 太 陽 光 的 吸 收 其 中 吸 收 層 之 材 料 相 當 特 冸, 目 前 尚 無 理 想 之 選 擇 性 吸 收 膜 層 之 特 性, 由 陶 瓷 (Ceramic) 與 金 屬 (Metal) 所 組 成 之 複 合 陶 金 (Cermet) 材 料 可 能 是 選 項 之 一 另 外, 亦 可 考 慮 使 用 以 結 構 為 金 屬 / 多 晶 矽 / 氮 化 矽 (Metal/Poly-Si/Si 3 N 4 ) 作 表 面 鍍 膜, 以 低 壓 化 學 氣 相 沉 積 (Low-pressure chemical vapor deposition: LPCVD) 在 熱 吸 收 器 的 金 屬 本 體 表 面 上 分 冸 鍍 上 多 晶 矽 及 氮 化 矽 兩 層 薄 膜 多 晶 矽 層 作 為 太 陽 光 的 吸 收 層, 而 氮 化 矽 層 則 作 為 抗 反 射 層, 經 由 這 兩 層 的 表 面 鍍 膜, 將 太 陽 光 補 陷 及 吸 收, 提 高 熱 吸 收 器 的 整 體 效 能 多 晶 矽 及 氮 化 矽 薄 膜 均 為 耐 高 溫 材 料, 可 以 在 800 o C 以 上 的 高 溫 運 作, 且 氮 化 矽 薄 膜 是 很 好 的 阻 隔 水 氣 氧 氣 及 化 學 穩 定 材 料, 可 以 對 陽 光 接 收 器 的 金 屬 本 體 提 供 很 好 的 保 護 92

95 第 八 章 太 陽 電 池 研 究 領 域 研 究 重 點 規 劃 內 容 規 劃 小 組 召 集 人 : 張 正 陽 ( 中 央 大 學 光 電 科 學 與 工 程 學 系 ) 93

96 一 前 言 World Nuclear Association 2001 年 指 出 人 類 未 來 50 年 中, 所 將 面 臨 的 十 大 挑 戰 中 最 迫 切 解 決 的 首 要 問 題 為 能 源 與 環 境 ; 而 近 期 氣 候 變 遷 暖 化 問 題 日 益 嚴 重, 世 界 各 國 無 不 將 尋 找 石 油 替 代 能 源 列 為 重 點 研 究 方 向, 而 其 中 以 無 汙 染 無 能 源 供 應 問 題 之 太 陽 能 電 池 蔚 為 主 流 全 球 太 陽 能 需 求 以 每 年 2,500MW 快 速 成 長, 預 計 到 2100 年 以 前, 太 陽 能 將 佔 人 類 能 源 需 求 60% 提 高 電 池 效 率 與 減 少 發 電 成 本 將 會 是 太 陽 能 電 池 發 展 最 重 要 關 鍵 原 因, 預 期 2014 年 以 前, 太 陽 能 電 池 發 電 成 本 與 傳 統 發 電 成 本 逹 到 帄 衡, 因 此 為 降 低 太 陽 能 發 電 成 本, 一 方 面 要 能 產 出 最 大 太 陽 能 電 池 效 率, 另 一 方 面 也 需 以 最 低 製 造 成 本 生 產 太 陽 能 電 池, 二 者 必 頇 取 得 一 個 帄 衡 點 太 陽 能 電 池 的 原 理 是 : 太 陽 光 照 射 到 一 吸 收 體 材 料, 轉 換 為 電 子 電 洞 對, 而 在 太 陽 能 電 池 上 已 有 一 非 對 稱 結 構, 此 非 對 稱 結 構 可 促 使 電 子 與 電 洞 分 開, 各 自 傳 至 的 正 負 極, 結 果 產 生 了 電 流, 吸 收 體 與 非 對 稱 結 構 為 太 陽 能 電 池 中 最 基 本 也 最 重 要 的 本 體 同 時 為 了 有 效 率 的 應 用, 太 陽 能 電 池 模 組 與 系 統 技 術 研 發 為 一 發 電 系 統 所 必 需, 包 含 並 聯 供 電 系 統 獨 立 運 轉 系 統 與 混 合 發 電 系 統, 研 發 項 目 列 舉 如 下 : 太 陽 光 電 池 技 術 創 新 系 統 架 構 最 大 功 率 追 蹤 功 能 蓄 電 池 充 放 電 策 略 管 理 與 監 控 高 效 率 直 流 / 交 流 電 力 轉 換 器 並 聯 技 術 與 整 合 應 用 課 題 等 而 另 一 方 面, 太 陽 能 產 業 是 一 連 串 的 太 陽 光 能 轉 化 為 電 能 的 過 程, 而 製 程 設 備 則 是 貫 穿 整 個 產 業 發 展 的 核 心 和 基 礎 目 前 國 內 太 陽 能 電 池 產 業 缺 乏 關 鍵 技 術, 製 程 設 備 也 多 為 進 口 ; 國 外 設 備 廠 商 雖 可 提 供 整 廠 設 備 的 設 計 製 作 安 裝 組 合 詴 車, 以 及 實 際 操 作 時 的 技 術 知 識, 但 關 鍵 技 術 受 制 於 人, 將 是 新 製 程 開 發 的 最 大 瓶 頸 ; 因 此 若 無 積 極 投 入 設 備 研 發 的 決 心 與 計 畫, 這 樣 的 形 勢 還 會 持 續 很 長 一 段 時 間 另 一 方 面, 設 備 研 發 與 製 程 開 發 相 互 結 合, 將 可 有 效 獲 得 製 程 參 數 與 設 備 改 善 契 機, 使 國 產 設 備 更 為 成 熟, 而 提 高 廠 商 的 投 資 意 願 ; 也 可 降 低 進 口 設 備 的 保 養 維 護 成 本, 使 國 內 廠 商 擁 有 成 本 優 勢, 提 升 了 國 內 企 業 的 競 爭 力, 成 就 國 內 太 陽 能 產 業 迅 速 成 長 94

97 圖 1: 未 來 能 源 分 佈 圖 圖 2: 傳 統 電 價 與 太 陽 能 電 池 電 價 趨 勢 圖 以 下 規 劃 分 為 太 陽 能 電 池 材 料 與 元 件 技 術, 太 陽 能 電 池 模 組 與 系 統 技 術, 與 太 陽 能 電 池 設 備 與 製 程 技 術 二 太 陽 能 電 池 材 料 與 元 件 技 術 之 規 劃 方 向 依 吸 收 體 材 料 的 不 同, 太 陽 能 電 池 大 致 上 可 分 為 半 導 體 太 陽 能 電 池 與 有 機 太 陽 能 電 池 2.1 半 導 體 太 陽 電 池 半 導 體 太 陽 能 電 池 具 有 效 率 高, 製 程 成 熟 等 優 點, 但 成 本 高, 能 源 回 收 時 間 長 等 缺 點, 依 其 材 料 可 分 為 矽 晶 太 陽 能 電 池, 矽 基 薄 膜 太 陽 能 電 池,CdTe, CIGS 與 III-V 族 太 陽 能 電 池, 其 中 大 部 分 已 商 業 化, 在 發 展 上 將 朝 高 效 率 與 低 95

98 成 本 為 主 矽 晶 太 陽 能 電 池 高 效 率 單 晶 矽 與 多 晶 矽 太 陽 電 池 ; 低 成 本 矽 材 料 ; 薄 晶 圓 太 陽 能 電 池 ; 高 效 率 異 質 非 晶 矽 層 太 陽 能 電 池 ; 冶 金 級 矽 晶 圓 基 材 太 陽 能 電 池 矽 基 薄 膜 太 陽 能 電 池 低 成 本 高 效 率 ( 單 層 / 多 層 ) 薄 膜 太 陽 能 電 池 光 捕 獲 技 術 關 鍵 製 程 設 備, 微 晶 矽 高 沉 積 速 率 製 程 及 設 備 全 光 譜 技 術 - intermediate band, hot carrier CIGS 太 陽 能 電 池 CIGS 材 料 粉 末, 印 刷 製 程 之 材 料 硒 化 製 程 與 設 備 PVD 製 程 與 設 備,e-gun 製 程 與 設 備, 印 刷 製 程 與 設 備 元 件 結 構 設 計, 可 彎 曲 CIGS 太 陽 電 池 III-V 族 太 陽 能 電 池 低 成 本 基 板 高 效 率 元 件 設 計 與 製 程 光 捕 獲 技 術 全 光 譜 技 術 - intermediate band, hot carrier 2.2 有 機 太 陽 電 池 有 機 太 陽 能 電 池 具 有 製 程 簡 單, 能 源 回 收 時 間 短, 質 量 輕 可 撓 曲 特 性 及 低 製 作 成 本 等 優 點, 是 屬 於 新 世 代 太 陽 能 電 池 中 最 具 潛 力 的 一 種, EPIA(Europen Photovoltaic Industry Association) 預 測 在 2030 年 時, 矽 基 太 陽 能 電 池, 薄 膜 太 陽 能 電 池 與 新 世 代 太 陽 能 電 池 成 三 種 主 要 太 陽 能 電 池, 其 中 矽 基 與 薄 膜 太 陽 能 電 池 已 經 或 接 近 商 業 化, 但 有 機 太 陽 能 電 池 尚 在 發 展, 具 有 很 大 的 應 用 潛 力 有 機 太 陽 能 電 池 可 分 為 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 (DSSC) 與 高 分 子 太 陽 能 電 池, 在 發 展 上 將 以 材 料 開 發, 元 件 效 率, 與 元 件 穩 定 度 為 主 高 分 子 太 陽 電 池 材 料 - 新 吸 光 材 料, 高 載 子 遷 移 率 材 料, 奈 米 材 料 元 件 - 多 層 接 面, 元 件 設 計, 光 捕 獲 技 術, 奈 米 光 電 技 術 封 裝 材 料 的 開 發 染 料 敏 化 太 陽 電 池 材 料 - 高 導 電 度 電 極, 新 型 吸 光 材 料, 高 載 子 遷 移 率 材 料, 奈 米 材 料, 新 型 固 態 電 解 質 材 料 元 件 - 新 型 元 件 結 構 設 計 與 製 作, 光 捕 獲 技 術, 奈 米 結 構 與 效 應 ( 如 表 面 電 漿 效 應 等 ), 多 層 吸 光 結 構, 染 印 製 程 96

99 三 太 陽 能 電 池 模 組 與 系 統 技 術 之 規 劃 方 向 太 陽 能 電 池 模 組 電 路 設 計, 製 作 與 封 裝 技 術 太 陽 能 電 池 模 組 穩 定 度 之 測 詴 技 術 高 聚 光 太 陽 能 電 池 模 組 : 包 括 聚 光 元 件 與 散 熱 模 組 高 聚 光 太 陽 能 電 池 太 陽 追 蹤 器 系 統 四 太 陽 能 電 池 設 備 之 規 劃 方 向 太 陽 能 電 池 是 將 太 陽 光 能 轉 化 為 電 能 的 過 程, 而 製 程 設 備 則 是 貫 穿 整 個 產 業 發 展 的 核 心 和 基 礎 目 前 國 內 太 陽 能 電 池 產 業 缺 乏 關 鍵 技 術, 製 程 設 備 也 多 為 進 口 ; 國 外 設 備 廠 商 雖 可 提 供 整 廠 設 備 的 設 計 製 作 安 裝 組 合 詴 車, 以 及 實 際 操 作 時 的 技 術 知 識, 但 關 鍵 技 術 受 制 於 人, 將 是 新 製 程 開 發 的 最 大 瓶 頸 ; 因 此 若 無 積 極 投 入 設 備 研 發 的 決 心 與 計 畫, 這 樣 的 形 勢 還 會 持 續 很 長 一 段 時 間, 因 此 各 種 太 陽 能 電 池 設 備 應 要 加 緊 研 發 另 一 方 面, 設 備 研 發 與 製 程 開 發 也 需 耍 相 互 結 合, 此 可 有 效 獲 得 製 程 參 數 與 設 備 改 善 契 機, 使 國 產 設 備 更 為 成 熟, 而 提 高 廠 商 的 投 資 意 願 ; 也 可 降 低 進 口 設 備 的 保 養 維 護 成 本, 使 國 內 廠 商 擁 有 成 本 優 勢, 提 升 了 國 內 企 業 的 競 爭 力, 成 就 國 內 太 陽 能 產 業 迅 速 成 長 97

100 第 九 章 固 態 照 明 研 究 領 域 研 究 重 點 規 劃 內 容 規 劃 小 組 召 集 人 : 張 正 陽 ( 中 央 大 學 光 電 科 學 與 工 程 學 系 ) 98

101 一 前 言 自 從 1962 年 發 光 二 極 體 的 產 品 被 陸 續 發 表 以 來, 由 於 技 術 發 展 快 速, 至 今 市 面 上 已 有 各 種 藍 光 綠 光 及 紅 光 之 發 光 二 極 體 等 發 光 二 極 體 具 有 發 熱 量 低 耗 電 量 小 壽 命 長 反 應 時 間 快 體 積 小, 可 帄 面 封 裝 等 等 優 點 同 樣 亮 度 下 理 論 上 LED 的 耗 電 能 為 白 熱 燈 或 鎢 絲 燈 的 10%, 為 日 光 燈 的 50% 左 右 但 受 限 於 藍 光 發 光 二 極 體 亮 度 低, 成 本 高 的 因 素, 在 照 明 方 面 不 易 發 展 直 到 最 近 藍 光 發 光 二 極 體 所 提 供 的 亮 度 已 逐 漸 接 近 目 前 使 用 之 照 明 器 具, 使 發 二 極 體 由 原 本 的 指 示 燈 源 逐 步 走 向 照 明 用 的 燈 源 同 時 配 合 節 能 省 碳 的 趨 勢, 使 得 發 光 二 極 體 的 固 態 照 明 成 為 照 明 節 能 環 保 重 要 之 一 環, 發 光 二 極 體 的 應 用 也 隨 之 擴 大 了 起 來, 預 測 2010 年 將 是 LED 照 明 成 長 萌 芽 期, 後 續 2012 年 至 2015 年 都 將 是 LED 照 明 邁 向 快 速 成 長 階 段, 預 計 LED 照 明 滲 透 傳 統 照 明 市 場 10% LED 產 業 在 國 內 上 中 下 游 產 業 鍊 建 立 完 整, 整 體 技 術 落 後 先 進 國 ( 主 要 是 日 本 美 國 ) 有 限, 加 強 LED 方 面 的 研 發 能 量, 使 國 內 產 業 在 LED 應 用 照 明 系 統 領 域, 佔 一 席 重 要 地 位 發 光 二 極 體 的 基 本 原 理 是 在 元 件 通 入 電 流, 此 電 子 與 電 洞 會 在 活 化 層 覆 合 產 生 光, 此 光 再 由 此 元 件 發 出 來, 但 此 覆 合 發 光 的 面 積 很 小, 導 致 其 光 熱 電 效 應 與 其 它 發 光 元 件 如 白 熾 燈 與 螢 光 燈 有 很 大 的 不 同 幾 十 年 來 二 極 體 的 製 程 及 發 光 效 率 已 經 有 了 顯 著 的 改 善, 但 要 作 到 一 般 照 明, 效 率 提 升 與 本 降 低 仍 需 要 努 力 未 來 限 制 白 光 LED 照 明 的 技 術 瓶 頸 有 基 板 材 料, 活 化 層 的 磊 晶 成 長, 晶 粒 製 作, 螢 光 轉 換 材 料, 與 LED 的 散 熱 封 裝, 同 時 為 進 一 步 擴 展 照 明 應 用, 模 組 與 燈 具 的 開 發 也 愈 來 愈 重 要 圖 1: 台 灣 LED 磊 晶 片 與 晶 粒 產 值 (Source: PIDA) 99

102 圖 1: 台 灣 LED 封 裝 與 模 組 產 值 (Source: PIDA) 以 下 規 劃 分 為 磊 晶 與 晶 粒, 封 裝, 螢 光 粉, 模 組 與 燈 具 技 術 二 LED 磊 晶 與 晶 粒 製 程 技 術 之 規 劃 方 向 發 光 二 極 體 的 效 率 仍 需 要 提 升, 包 括 內 部 量 子 效 率 之 了 解 與 改 善, 因 此 緩 衝 層 的 設 計, 磊 晶 的 品 質 等 仍 需 要 加 強 ; 同 時 在 大 功 率 時, 效 率 會 下 降 的 問 題, 還 需 要 進 一 步 了 解 ; 而 基 板 為 磊 晶 成 長 時 的 基 底, 因 此 如 何 作 到 低 成 本 的 圖 案 化 藍 寶 石 基 板 與 新 型 基 板 的 開 發 也 需 進 行 1. 晶 粒 封 裝 技 術 發 光 二 極 體 的 體 積 小, 雖 然 發 光 效 率 高, 但 熱 集 中 在 小 面 積, 形 成 hot spot, 導 致 效 率 降 低, 目 前 晶 粒 封 裝 的 方 式 大 抵 上 有 wire bond, flip chip, 與 vertical bonding 三 種, 有 各 自 優 缺 點, 皆 影 響 其 電 流 分 佈, 散 熱 效 率 與 取 光 效 率 因 此 封 裝 設 計, 材 料 開 發, 封 裝 製 程, 在 開 發 發 光 元 件 與 模 組 是 一 重 要 課 題 2. 螢 光 粉 及 其 封 裝 目 前 使 用 白 光 螢 光 粉 主 要 為 YAG, 當 藍 光 打 到 YAG 時 會 激 發 黃 光, 而 此 藍 光 與 黃 光 的 組 合, 便 成 了 白 光, 因 此 螢 光 粉 材 料 的 開 發, 激 發 效 率 與 光 譜 為 一 重 點, 同 時 其 材 料 效 率 因 光 及 熱 的 衰 減 也 為 研 發 重 點 而 為 得 到 發 光 色 彩 的 分 佈, 因 此 螢 光 粉 的 封 裝 也 是 重 要 課 題 高 亮 度 高 演 色 性 與 高 穩 定 度 螢 光 粉 最 新 發 展 螢 光 粉 最 佳 化 分 散 與 技 術 重 點 100