子計畫八：綠能設施開發
主持人：汪俊延
團隊成員：宋振銘、楊錫杭、林俊良、許志義、賴盈至
一、子計畫推動重點、成果與特色亮點
- 本核心計畫目標在發展智慧農牧場，試圖解決台灣農牧業面臨之兩大問題：因為少子化導致的人力不足惡化問題、農牧業具有離峰用電與尖峰用電有極大落差的特徵。研究成果可做為其他農牧場轉型之參考，並培養專業人才投入後續研發，優化農牧場營運模式，並創造多元價值。
- 計畫目標亦包括開發以牛舍廢水結合鎂廢料於同時淨化廢水與產氫發電應用設施，以此達到綠能發電、畜牧廢水處理、廢棄物回收再利用等多項目的。現今化石燃料每年所排放的溫室氣體約有217億噸；而畜牧業上牛隻會產生許多畜牧廢水，在現今畜牧廢水的處理至少需要數十天才能進行排放，若隨意排放至河川會產生惡臭及優氧化的問題。因此能源的短缺與汙染和畜牧廢水的處理成為當今重要的問題。此外鎂合金比強度高於鋁合金、鋼，是地球上第七多的元素。並且價格便宜，因此大量的使用在生活用品上，如:筆記型電腦外殼、手機殼，生活中大量地使用鎂合金，故鎂合金的回收處理就變得格外重要。本計畫中將鎂合金廢料重熔後沾附於不銹鋼網上，形成鎂合金廢料與不銹鋼網的耦片來進行產氫。該產氫反應中的副產物為氫氧化鎂，由於具有獨特的吸附性會將農牧廢水中的髒污進行吸附，來達到進化水質的效果。本研究不僅可消耗鎂廢料來得到氫氣也可淨化畜牧廢水減少處理時間，達到廢物的再利用。
- 宋振銘教授指導大專生生黃煜皓、盧胤齊、張綺文、趙翊淇、李騏佑榮獲財團法人中鼎基金會「青年永續創新營」第四名，並指導碩士生俞亦佑獲榮獲國際獎項「IEEE EPS Japan Chapter Young Award」。
- 賴盈至教授指導學生於本年度榮獲下列獎項：
- 2021勞動部「我是創客-創意設計競賽」第一名 (盧弘惟)
- 2021全國大專院校產學創新實作競賽 - 第三名、佳作
- 2021年 中技社研究創新獎學金 (盧弘惟)
- 2021年 華立材料創新競賽- 優選、優選(共兩組)
- 鎂合金廢料重熔後沾附於不銹鋼網上，形成鎂合金廢料與不銹鋼網的耦片來進行產氫。該產氫反應中的副產物為氫氧化鎂，由於具有獨特的吸附性會將農牧廢水中的髒污進行吸附，來達到進化水質的效果。本研究不僅可消耗鎂廢料來得到氫氣也可淨化畜牧廢水減少處理時間，達到廢物的再利用鎂廢料和S.S.304不鏽鋼網(LMGS/S.S.藕片)用於生產氫氣，該反應還包含伽凡尼腐蝕。NaCl的添加可以有效地增加氫氣的產率，而在產氫過程中發現畜牧廢水的離子濃度皆有下降，並且在反應1小時後農牧廢水會逐漸轉為清澈透明。 研發非鉑觸媒膜電極，減少貴金屬用量，有效降低產氫設備成本。鎂廢料產氫及燃氫發電，以不同類共晶鎂合金於農牧廢水中進行產氫，氫氣產量每克類共晶鎂合金(Mg-1Cu)最高可達到900毫升，本計畫亦藉由合金組合，建構出連續供給氫氣達11小時(40公升)的產氫模式。目前已於本校溪心壩牧場構建一燃氫發電系統，滿載發電量達10KW/Hr，整合太陽能電池模組，綠能發電比例已臻牧場用電25%。
已搭建的電解產氫與儲氣桶，溪心壩牧場再生能源整合發電架構圖
- 軟性電子裝置研發新突破，興大賴盈至榮獲2021傑出人才發展基金會「第九屆年輕學者創新獎」，研發可收集電磁輻射與人體機械能的纖維布料，文章刊登於國際頂尖期刊《先進能源材料》(Advanced Energy Materials) (IF:29.36)，被編輯選為封面文章。《論文連結》
國際頂尖期刊《先進能源材料》之封面及媒體報導
(三)產學合作面向 - 材料系汪俊延教授與其研究團隊孜孜不倦的努力下所開發之石墨烯/石墨高硬度自潤表面處理層，該技術以放電合金化法(Electrical Discharge Alloying, EDA)對AA6082合金進行表面改質，放電合金化法為放電加工法逆電極之變化，本研究以純鐵電極作為負極，透過不同階段及改變不同電氣參數之放電，達到改善AA6082磨潤性質的效果，根據實驗結果顯示，兩階段放電後(脈衝時間2000 ms、放電電流30 A)表面粗糙度(Ra)約為7.24 mm，合金化層硬度可達到1400 HV以上，且開始有石墨相的出現，而根據文獻指出石墨具備良好的潤滑效果。該技術順利轉給被授權單位亞科技有限公司。
- 本子計畫所建構之綠電/再生能源之畜牧場，與聯齊科技股份有限公司合作承辦台灣電力公司研究計畫「供需資源整合之評估與實作：以畜電共生為例」，將實施場域設置有自發自用太陽能、畜牧廢水發電、蓄電池組、需量反應調控設備，搭配聯齊自主開發之 AI 能源管理系統， 進行自動調控試驗，及相關商業模式之模擬試算。
- 在汪俊延教授環保製程實驗室的材料團隊研究下，利用牛舍廢水與無法回收精製之鎂廢料所製成產氫試片進行電化學反應。在產生氫氣的反應過程中，牛舍廢水會因為副產物氫氧化鎂的生成而吸附廢水中的髒污，進而使廢水逐漸澄清進並達到淨化廢水的目的。此外利用燃氫發電系統與產氫桶結合，先行將產氫桶與儲氫桶相連，完成儲氫桶之氣體填充。接著確認供電的位址，可將系統選擇為燃氫模式。將燃氫系統與儲氫桶接連，插上快速接頭後開始供氣。系統會自動抽氣加壓，在氣源足夠狀態下會自動開啟發電機並完成發電供應。完成供氣發電後的產氫桶，可將反應後的副產物氫氧化鎂取出，來製作氫氧化鎂磚，可用於阻燃劑等用途。
- 汪俊延教授成功開發利用鎂金屬廢料產生氫氣之方法及其設備，該專利摘要為利用鎂金屬廢料產生氫氣之方法,包含利用一白金鈦網或不鏽鋼網沾黏半熔融狀態之鎂廢料後,將其置入一含氯化鈉水溶液之氣密反應槽內,進行自發性的製氫反應。產出之氣體接著被導入一低溫除濕裝置以將氣體中所含之水蒸氣凝結沉降,並收集產出之氣體。產生氫氣之設備由氯化鈉水溶液儲液槽、氣密反應槽、低溫除濕裝置所組成,彼此之間以管路相連接,並以閥門控制溶液或氣體之進出。且順利申請專利，該專利號TW200811034A/ TW095131875。此外該專利可以運用至氫氣儲能、鎂廢料回收、氫氣發電、環保製程、綠能等多項領域。
- 賴慶明、許志義老師團隊研發亮點- 智能綠能割草機
- 純電動動力、多點式太陽能與無線充電網。
- 智慧環境感知/路徑動態規劃和行為控制等多種功能於一體的綜合機器人系統。
- 機器人通過自主獲取草場地圖，自主規劃工作路徑，並利用GPS導航系統和軌跡跟蹤技術，最終實現無人、智慧割草作業。
- 合作新聞發表、引入廠商製造、合作銷售：目前與台中市(運動局)合作綠能環保、無廢氣空汙、電動割草車(隊)展示活動定期草皮之養護勞務
- 設置鎂廢料和S.S.304不鏽鋼網(LMGS/S.S.藕片)用於生產氫氣，該反應還包含伽凡尼腐蝕。NaCl的添加可以有效地增加氫氣的產率。而在產氫過程中發現畜牧廢水的離子濃度皆有下降，並且在反應1小時後農牧廢水會逐漸轉為清澈透明。
- 零碳產氫儲能技術實證設施：
提供電解產氫作儲能，也搭配回收廢鎂合金作電解產氫，進行儲能發電(如圖xx)，達到削峰填谷之穩定供電。輔以先進研發非鉑觸媒膜電極，減少貴金屬用量，有效降低產氫設備成本，作為永續綠能開發。產業推廣得以運用餘電產氫作儲能，搭配離散式發電模組，作為獨立供電系統，因應偏遠農業設施所需。
已搭建的電解產氫與儲氣桶
- 儲能櫃設施
已搭建的興大溪心壩農場 儲能櫃裝設成果
- 以溪心壩中燃氫發電系統，並利用牛舍廢水與無法回收精製之鎂廢料所製成產氫試片進行電化學反應，該產氫反應所產生的氫氣可以供給燃氫發電系統進行發電。同時結合雲端系統將產氫的發電相關數據整合，使整體系統能進行遠端監控，且供給的電能可與農場中其他的綠能發電一併提供給溪心壩中的部分日常電力需求。
- 開發以牛舍廢水結合鎂廢料於同時淨化廢水與產氫發電應用設施，本研究著重利用不可回收的鎂廢料使其能再利用，且達到環保製程的理念。
- 透過解析產氫反應中副產物吸附水中雜質的機制，進而完善短時間內利用產氫過程的氫氧化鎂淨化牛舍廢水的廢水處理。且較於現今的牛舍廢水處理中的厭氧處理與好氧處理需數十天，此廢水處理方式更為迅速且便利。
- 利用溪心壩將產氫儲能設施供給的電能與農場中其他的綠能發電一併應用在農場中部分日常電力需求，該舉有助於我國綠能政策之永續目標與綠能的推廣。
興大研發發電布料 國際期刊也關注｜華視新聞 20210408【材料系賴盈至副教授】
https://www.youtube.com/watch?v=sWNRGvL-W8Y
衣服布料竟然也能發電，台中中興大學師生，利用液態金屬，研發出可以蒐集電磁波的發電紡線，把這種紡線織成布料穿在身上，坐在筆電前面20秒，吸收的電磁輻射，就能產生20福特的電壓，並驅動手錶和計算機等小型電子設備，而這項研究成果也登上國際期刊。
照片圖說：賴盈至副教授榮獲財團法人傑出人才發展基金會第9屆年輕學者創新獎(2021)
