【S015】 淨零碳排新興能源科技論壇

Friday, 19 November, 09:00 ~ 10:30, Conference Room ROOM 7
Organizer: Shu-San Shiau, Shou-Yin Yang
Chair: 蕭述三


09:00 ~ 09:15 (15')
0342  顆粒影像測速法於風洞實驗之應用
毓庭 吳 and 章裕 林
近些年來,風洞實驗為風工程研究的方法之一,主要為利用幾何相似的原理,以縮尺風機模型放置於風洞中,再以儀器量測縮尺風機所受的風力或風速,透過無因次化來得到研究需要的物理特性,不但可以有效地降低成本,並且可以得到與實際狀況近似的結果。而風洞量測有許多不同的方法,包括熱線(hot-wire)、皮托管(pitot tube)、眼鏡蛇探針(Cobra probe)以及顆粒影像測速法(Particle Image Velocimetry, PIV)等,各自有各自的優缺點。舉例而言,熱線、皮托管、眼鏡蛇探針屬於點的直接量測,可以依儀器規格而獲得相對應的量測值,但實驗時則必需將儀器放置在流場中,免不了會影響流體的運動,因而無法正確地表達整體流場的資訊;顆粒影像測速法屬於面的量測,因為是非侵入式量測而可以真實地反映流場的運動狀態,但因為其結果的準確度牽扯顆粒大小、顆粒多寡、雷射能量、邊界處理、分析計算等問題,使得顆粒影像測速法的量測值需要適當的驗證。以上量測方法若應用於風洞實驗風洞中,各自量測結果是否存在差異性,以及未來應用於風機尾流及室內流場之應用可能性,則是本研究所探討的目的。
本研究為初期建立顆粒影像測速法於風洞實驗之應用,藉由皮托管、熱線、眼鏡蛇探針以及粒子影像測速法,測量不同入流速度下之風洞內部固定位置的瞬時流向速度,並同時計算平均流向速度和紊流強度等物理性質,進而進行數據的相互比對。其中實驗使用直角型皮托管及薄膜式壓差轉換器,分別為美國Dwyer Instruments公司的160-8型號產品及美國Validyne Engineering公司的DP103型號產品;熱線為使用由美國TSI公司所製造的單熱線探針AVT65,可量測每秒公尺0.127至50.8的風速,最大取樣率為5 Hz;眼鏡蛇探針則是由澳洲Turbulent Flow Instrumentation所製造,量測速度範圍為每秒2~100公尺,最高取樣率為2000 Hz;最後,顆粒影像測速法中粒子產生器為自行設計製作的Laskin噴嘴,可產生直徑約為2micron的橄欖油粒子。而光學相機規格則為12bits、sCOMS感光元件、5120×5120像素的解析度與最高幀率為6 fps。
風速量測結果整體來說具有良好的準確性,除了在低速條件下眼鏡蛇探針的量測結果偏差較大外,其他量測結果的誤差值皆在6%以下,均可以正常地描述流場資訊,表示平均流向速度具有良好的一致性。而流向紊流強度具有顯著差異,其中在熱線的分析結果中,流向紊流強度均十分微小,除了在風速1.3 m s^(-1)情況下的流向紊流強度達到0.017,其餘情況皆低於0.01,原因為裝置的取樣率不夠高,無法正確地量測紊流現象。眼鏡蛇探針量測分析的流向紊流強度有隨著風速增大而變小的趨勢,變化幅度則隨著風速提高而變小,研判原因為眼鏡蛇探針在低風速的流場時,量測的風速擾動量相較於其他儀器大;隨著風速提升,眼鏡蛇探針、皮托管與顆粒影像測速法具有良好的一致性。

09:15 ~ 09:30 (15')
0186  利用脈衝電壓電解水產氫之效率研究
美儀 劉, 御鎧 陳, 子鴻 陳, 振暉 張, 佑論 陳, 智文 范, 明源 林 and 偉華 伍
全球暖化問題嚴重,因此各國都在研究減少碳排放或找尋無碳替代能源。氫氣能從再生能源中產生,且使用時幾乎無汙染,為重要替代能源。電解是製備氫氣的重要方式,目前有兩種主要方法,一為傳統電解水產氫,二為質子交換膜電解水產氫,前者使用單一電解槽反應,設備簡易且成本低,但產氫效率不高,因此需耗損大量電能,後者使用質子交換膜將電解槽分隔為陰極槽及陽極槽,並使用不同電解液降低電解反應電位,提高生產效率,但過程中,質子交換膜成本高,因此需進一步提升電解水產氫效率,並減少成本。同時,一般水電解時加入脈衝電壓,在不同的脈衝循環下,會有較高的瞬間電流密度,提高電解液的擴散作用,加速氣體排出、提高水電解效率,因此本研究使用不同脈衝電壓來電解,來了解脈衝電壓對氫氣產率之關係。
本實驗使用鎳為電極片,並應用硫酸及氫氧化鉀兩種溶液為電解液,利用質子交換膜隔離雙電解槽,進行電解產氫效能之研究。在不同電壓下,探討單、雙電解槽產氫效率之相關性,並加入不同脈衝值,研究是否能提高整體能源效率。
實驗結果顯示,使用雙電解槽產氫效率確實較單電解槽佳,且雙電解槽並加入脈衝後,相較之整體產氫量與能源效率更提升。當30%wt的KOH與30%wt的H2SO4之酸鹼電解槽,在頻率100Hz、循環負載10%、輸入電壓為4V時,能源效率約為96%,比未加脈衝時提升15%,而在施加電壓為2V時,能源效率提升最高可以來到17%。
本研究證實使用脈衝電源確實可降低氫的分解電位門檻,提升氫氣產生效率,此研究結果未來可延伸探討廢酸鹼液回收產氫之議題上,除了減少廢液汙染問題,更降低原料成本。

09:30 ~ 09:45 (15')
0244  硼氫化鈉混合金屬觸媒鈷在水蒸氣產氫反應的影響
Pai-Jun Chang, Jyun-Lin Lai and Yean-Der Kuan
本文實驗目的主要是利用水蒸氣水解產氫技術,將蒸發水氣引導進入產氫觸媒罐內進行產氫反應。本研究在蒸發水氣部分,利用蠕動式泵浦驅動,並以等速等量的狀態將純水滴入載水床;載水床部分則是透過加熱器加熱,使其溫度達至純水接觸後可蒸發汽化;觸媒部分將使用硼氫化鈉(NaBH4)粉末與金屬觸媒─鈷(Co2+)粉末進行混合搭配,並利用純NaBH4粉末以及NaBH4添加Co2+的不同混合比例之粉末進行產氫反應試驗。粉末比例搭配後將使用鋼珠球磨進行混合,球磨過程不僅能夠充分混合粉末,也可將粉末細緻化以增進水氣與粉末反應之間的接觸面積。然而產氫反應的流程規劃將會對NaBH4+ Co2+不同比例之混合粉末、不同比例的球磨鋼珠、球磨時間的多寡以及觸媒床的加熱溫度進行實驗探討。在實驗途中將會以0.01LPM的注水流率注入50ml的純水、150oC載水床溫度、7:3比例的NaBH4+ Co2+混合粉末、1:4比例之球磨鋼珠、球磨時間2小時以及200oC觸媒床溫度為基本設置進行延伸試驗,為此希望能有效提升水蒸氣水解產氫,亦即較純NaBH4粉末擁有更佳的產氫效率。

09:45 ~ 10:00 (15')
0286  The Comparisons of Hydrogen Fuel Cell Vehicles Fast Fueling Based on SAE J2601 Fueling Protocol
Tzu Hsiang Yen, Hsin-Hung Lu and Yang-Chuang Chang
Fuel cell electric vehicles (FCEV) are being increasingly adopted in recent years and leading the market penetration around the world. It offers the advantages of high efficiency, zero tailpipe emissions and use of renewable energy sources. In the meanwhile, the fueling protocol made by society of automotive engineers (SAE) is to assure the safety of hydrogen fueling and to provide guidelines for specific component and system designs. It makes the fact that fill with hydrogen within 3-5 minutes and achieve a high State of Charge (SOC) possible. The temperature rises within the vehicle tank not only reduces the SOC of the tank but also may bring safety hazards. In this paper, the theoretical simulations bases on H2FillS created by National Renewable Energy Laboratory (NREL) are analyzed on the factors related to the fast fueling, such as initial pressure, initial temperature, station ambient temperature, filling temperature, filling rate and tank dimension. To investigate the relationships between these parameters may give us more understanding for hydrogen vehicle fast fueling phenomenon. The evolution of the fueling quantities, such as pressure, temperature and mass flow rate are predicted dynamically throughout the fueling process. The simulation results will give us more idea and thinking to operate the hydrogen fueling station safely and economically in the near future.

10:00 ~ 10:15 (15')
0042  我國客輪節能減碳策略評估與效益分析
CHING-HUI YANG and REUI-KUO LIN
全球貿易近 90%仰賴海運運送,海運對國際貿易貨物而言,屬最具成本效益的運輸方式。因應溫室效應引發
的氣候變遷問題逐年加重,各國陸續推動節能減碳等因應措施,期減少溫室氣體產生。根據國際海事組織 IMO 研究統計,國際海運所排放的二氧化碳約占全球主要溫室氣體排放量的 2.7%。為防制船舶造成的海洋環境汙染,國際海事組織(IMO)通過國際防止船舶污染 73/78 (MARPOL 73/78)附錄六(ANNEX VI)防止船舶空氣污染規則來規定船舶空氣污染的排放研擬對策與方法。我國雖非「京都議定書」成員國,但各船運公司仍有義務共同來對抗全球暖化,善盡溫室氣體減量排放的責任。

本研究係將蒐集並參考國內外降低海運的 CO2 排放,研擬防制對策與方法的相關資料,針對我國內海及內灣
高運量船舶,往返嘉義布袋與澎湖馬公的高速雙體船為主要研究對象,其中包括百麗航運的雲豹輪與藍鵲輪、海有航運的太吉之星、凱旋航運的凱旋 3 號四艘離島客輪為基本資料調查對象,透過質性研究分析與專家訪談方式,比較各公司現行減排策略、執行經驗與執行現況,包括港內與航行間柴油主機排放物、岸電設置、綜合能源管理系統等減碳量指標建置、能源消耗估算、節能減碳技術與經營成本效益評估與分析;進一步研擬各船舶加裝防制設備或採用乾淨燃料的船舶分別訂定其校正係數,以符合環境標準逐年降低排放物的空氣污染和溫室氣體排放做一比較與益效分析。最後,研究結果將可供交通部航港局及臺灣港勤公司對於未來我國各港內環境污染標準與建立船舶排放物減量與推動策略努力方向之參考。

10:15 ~ 10:30 (15')
0060  含水量對純氧系統中甲醇噴霧燃燒特性之影響
Chih-Yung Wu and Bo-Yi Hu
因應現今能源短缺與環境議題,我們必須尋找出合適替代能源。甲醇是無色透明的一種含氧燃料,以甲醇經濟之概念來說,甲醇被視為傳統能源與替代能源的能源載體。而甲醇比氫氣更為安全、好儲存與銷售。另一方面,甲醇也可以作為氫氣的載體。由於液體更便於運輸和儲存,氫氣可以以甲醇的形式運輸。如今可以通過合適的催化劑,從生物基合成氣中透過一氧化碳的加氫過程製造甲醇或是天然氣+水+二氧化碳來製造。在甲醇生產過程中,水是甲醇中常見的雜質。使用甲醇作為燃料時,需要對甲醇進行脫水,而脫水過程是甲醇製造中較為耗能的步驟。純氧燃燒為一降低汙染排放,也是被用於發電廠捕捉碳的一種方法。純氧燃燒技術則是將傳統以空氣作為氧化劑來源的燃燒方式改為直接採用純氧作為氧化劑,並導入適當比例的二氧化碳至燃燒系統中以控制火焰溫度,避免純氧燃燒產生火焰溫度過高的問題。
1、 燃燒效率可透過調整O2濃度來提高。
2、 燃燒介質中沒有N2,大量減少高溫型 NOx (Thermal NOx)的產生。
因此,在噴霧燃燒室中,甲醇中之含水量對火焰的影響是一個值得研究的議題。製造甲醇的過程中會產生水,不僅如此,由於甲醇的親水性會使甲醇中含有水分,因此需要額外的能量來去除甲醇混合物中的水以達到使用的標準,而對於甲醇中水分含量之燃燒的影響研究較少。目的在於對不同含水量的甲醇燃燒進行評估,且觀察穩定之含水甲醇噴霧火焰之現象以及火焰穩定性。本研究評估使用甲醇作為噴霧燃燒的燃料,記錄並研究水含量對燃燒特性的影響,包括火焰穩定度、溫度量測、汙染物排放量測,帶有熱交換器的相對熱效率之變化。而了解甲醇的噴霧燃燒及其穩定性、排放和相對效率,將為進一步高效應用甲醇噴霧燃燒奠定學理的基礎。本研究完成了在純氧環境下,改變甲醇中不同含水量之比例,並評估其可行性與觀察其特徵,所得到之結論為,經由結果表明,在純氧環境下,隨著甲醇中之含水量上升火焰也將隨之變短。然而甲醇噴霧火焰擁有內反應區與外反應區之雙層火焰的結構。在純氧環境下,其火焰跳脫高度隨著氧濃度的提升而有顯著之降低。在純氧環境下,隨著水含量的上升其CO之排放指數是呈現上升,且燃燒效率也隨之下降。在純氧環境下之熱效率,在水含量10%時有突然下降之趨勢,而當水含量添加至20%時,其熱效率又上升,並隨著水含量增加而下降 。