科技部工程司能源學門

107年度科技部傑出研究獎得獎人

陳維新特聘教授：築夢綠能家園

文：陳維新   圖/編輯：李冠廷    網頁編輯：張萬珍

 

陳維新教授團隊與Prof. Ir. Ts. Dr. Pau-Loke Show, University of Nottingham Malaysia,

President and Founder of International Bioprocess Association, 進行學術交流(2020.01)

 

簡歷

姓名：陳維新

最高學歷：國立成功大學航空太空工程研究所博士

經歷(部分)：

• 2016～迄今       國立成功大學  航空太空工程學系   特聘教授
• 2019～迄今       國立勤益科技大學  機械工程系        講座教授
• 2019～迄今       私立東海大學  工學院        榮譽講座教授
• 2020～迄今       亞洲液體霧化及噴霧學會 (ILASS-Asia) 委員會副理事長
• 2019～2020      亞洲液體霧化及噴霧學會(ILASS-Asia)  祕書長
• 2013～2016      國立成功大學  航空太空工程學系    教授
• 2007～2013      國立臺南大學  綠色能源科技學系    教授
• 2005～2007      國立臺灣海洋大學  輪機工程學系    教授
• 2001～2005      輔英科技大學  環境工程與科學系    教授
• 1994～1995      安鋒鋼鐵股份有限公司  生產部        高級工程師

 

研究專長

• 氫能：熱化學製造氫氣、薄膜分離及純化氫氣
• 生質能：纖維生質酒精、焙燒、氣化、燃燒、裂解、液化及氣化動力學
• 潔淨能源：淨煤技術、粉煤噴吹技術、風力發電、廢熱回收、熱電系統
• 能源系統：系統最佳化、人工智慧與演化計算、大數據分析系統自動化
• 熱流與環工：熱傳與質傳學、熱力學、氣膠科學與動力學、煉鐵製程、空氣污染、二氧化碳捕捉與減量、PM2.5 & COVID-19

 

專業生涯的憧憬/現階段/下階段的目標

• 引領全球生質物焙燒及生物炭製造的研發
• 成為協助業界研發綠色燃料與潔淨能源之重要實驗室
• 建立氫能先進科技研發實驗室及人才培育的搖籃
• 前瞻能源系統之設計與開發
• 整合綠能人才進行跨領域研究

 

 

築夢
本人自1993年取得博士學位後，曾於安鋒鋼鐵公司研究加熱爐能源最佳化研究，以有效降低加熱爐之燃油消耗。之後於輔英科大環工系從事大氣氣膠傳輸現象及廢棄物焚化研究，以得知酸雨與酸霧形成機制及降低廢棄物燃燒之環境污染。於臺灣海洋大學輪機系期間，開發淨煤技術以降低消耗化石燃料所造成的環境負荷。在臺南大學綠能系期間，創作主題移至綠色能源。目前主持成功大學航太系綠色能源與燃料實驗室，開發生質能、氫能、潔能及前瞻能源相關技術，以開發創新性技術、促進綠色能源與燃料之使用，並增進環境之永續性。

 

上述研究期間，曾赴美國普林斯頓大學、澳洲新南威爾斯大學、英國愛丁堡大學、加拿大英屬哥倫比亞大學及法國洛林大學擔任訪問教授及邀請講座教授，以增進國際視野並促進國際交流。也與超過30國學術單位與研究機構合作，另有來自於捷克、加拿大、泰國、菲律賓、馬來西亞等研究生至本實驗室進行研究，以建立實質之國際研究合作。

 

研究過程曾與中鋼、台塑、中油、台糖、工研院、核研所、金屬中心等機構合作，開發再生能源及綠色燃料，獲得專利21項，並應用於實際工業製程，以使研究成果具有實際產業貢獻。

 

由於在國際上關於綠色能源與燃料具有卓越的表現，因此自2015年連續5次獲得Web of Science高被引學者、2次科技部傑出研究獎、中國工程師學會傑出工程教授獎等多項獎項，並廣泛受到國際研討會邀請進行演講，受聘為許多國際知名期刊之副主編及編輯委員，在國際學術界受到高度肯定。

 

生質物焙燒技術研發
本人過去數年來致力於生質物焙燒技術研發，以改質固態生質燃料，提升燃料效能並應用於工業，以替代煤炭使用，並降低空氣污染物及溫室氣體排放。於2010年發表全球第一篇生質物焙燒熱重分析之SCI期刊論文，該論文亦為亞洲第一篇生質物焙燒之期刊論文，之後並發表臺灣前三篇焙燒之期刊論文。目前在生質物焙燒領域所發表SCI期刊論文之品質與數量高居全球第一名。

 

本人亦率先國際進行焙燒後生物炭氣化現象之探討，和煤炭氣化之結果進行比較，以評估生質物焙燒技術之潛力與優勢，並有重要的發現，將焙燒技術應用於生質物氣化具體化。

 

另外於2012-2013年訪問加拿大英屬哥倫比亞化學與生物工程學系及潔淨能源研究中心時，進行研究合作並共同撰寫生質物焙燒綜述論文(review paper)，發表於Renewable & Sustainable Energy Reviews，及完成另三篇綜述論文發表於Trends in Biotechnology、Green Chemistry及Progress in Energy and Combustion Science。

 

另外，與台塑公司合作，研發環氧樹脂廢塑料的燃料化。除了慣常焙燒技術外，並開發出氧化及濕式生質物焙燒設備與技術，以較低成本方式進行固態生質物前處理及改質，研究結果除得知各類生質物之焙燒及燃料特性外，並得知生質物內半纖維、纖維及木質素之共焙燒現象及交互作用，同時得知焙燒過程產生生質油之化學成分，並成功建立焙燒反應動力式。

 

生質物焙燒及生物炭製造簡圖

 

熱能循環資源化轉換材料與系統開發

本人於2018年主持執行第二期國家型能源計畫(NEP II)「熱能循環資源化轉換材料與系統開發」，率先引進熱能循環概念，同時製造氫氣助燃、提升燃燒效率、利用熱電系統及有機朗肯循環發電。主持計畫過程結合四所學術單位(國立成功大學航空太空工程學系、化學系、國立中興大學材料科學與工程學系、國立勤益科技大學機械工程系)，兩個法人(工業技術研究院及財團法人金屬工業研究發展中心)，及兩個業界公司(鼎堅綠能科技有限公司與漢力能源科技有限公司)，共同執行本計畫，同時研發製氫觸媒、熱電材料、系統模擬軟體、混合工質等。期間與臺南市官田區區公所合作，利用生質物轉換為生物炭場域，搭配熱電系統，實質建立熱能循環資源化轉換裝置，達到本計畫目的與宗旨。故利用本計畫結合產、官、學一同投入，落實能源再利用，節能、循環經濟目的，實質建立廢熱熱電發電雛型系統。

 

2019年則持續主持科技部先導型產學計畫，目標為建立示範系統測試平台，與業界實質接軌，於業界場域實質施作，落實產學計畫。總計畫將與法人和廠商共同完成多項驗證與實證工作，將能針對不同對象提出適當與最佳化的技術解決方案，達成預期節能目標。

 

工業高溫廢熱應用儲熱材料及發電系統整合開發

2019年主持執行國立成功大學國際重點領域團隊研究計畫「工業高溫廢熱應用儲熱材料及發電系統整合開發」，計畫中整合成功大學航太系、機械系、材料系數位教授及金屬工業研究發展中心，共同開發印刷電路板熱交換器(printed circuit heat exchanger)、儲熱材料及發電系統。

 

隨著新能源技術的發展，電力市場對電力儲存的需求越來越大，儲能被視為未來能源科技的重點發展項目。本計畫藉由工廠熱能儲熱及電力轉換，進行「削峰填谷」電力調節，將低用電時之熱儲存，待高用電或斷電時，再透過高效熱交換率之熱交換器，將儲存的熱導至熱電轉換系統進行發電，以達到在高峰用電量時段進行工業電力調解之目標。

 

所開發之印刷電路板熱交換器已成功運用於台東知本溫泉業，將高溫溫泉水及低溫冷泉水進行熱交換，降溫後溫泉水及升溫後冷泉水，可同時運用於溫泉浴池及飯店沐浴用水，其中印刷電路板熱交換器儲熱量並可達30,000焦耳。

 

協助業界研發綠色與再生燃料與潔淨能源

在生質能研究上，本實驗室研究重點除了生質物焙燒外，研究重心也包含生質物氣化、裂解、液化、燃料乳化技術之開發及纖維酒精製造。本人與中鋼合作，進行產學合作評估生質物焙燒之工業化，藉由焙燒之運用，對於中鋼在馬來西亞設立生質物焙燒廠有極大幫助。

 

本人將淨煤技術延伸至高爐中粉煤噴吹之研究，完成「粉煤高溫反應裝置及評估高溫反應裝置粉煤燃燒之方法」，利用所開發出之「沈降管反應爐」，成功建立一套高爐粉煤噴吹之測試程序及標準，可進行實際粉煤噴吹運轉之評估，該項沈降管反應爐及粉煤噴吹之測試程序及標準已實際應用於中鋼鋼鐵研發處，以作為煉鐵製程選煤之依據。

上述淨煤技術及粉煤噴吹之研發成果已取得6項中華民國發明專利。另也協助中鋼建立焦爐氣及高爐氣產生氫氣潛力評估、固態生質物點火判定標準、生質油與柴油乳化技術之研發與應用、生質物焙燒全球專利分析。

此外，本人與金屬中心合作，研發生質廢棄物液化技術以產生生質油，生質物廢棄物包含有農業廢棄物、下水污泥、皮革污泥、廚餘等，成功將廢棄物中的有機質轉化成為綠色燃料，並完成燃料試燒，以部分替代重油及柴油。

​

生質廢棄物液化技術以產生生質油

 

本研究團隊與核能研究所合作，進行工業廢棄物焙燒之研究，以評估燃料化之潛力，另也進行甲醇及二甲醚合成、二氧化碳再利用、廢纖維及廢塑膠燃料化之技術開發，其中二氧化碳捕捉與再利用，已成功利用二氧化碳製成合成氣、甲醇及二甲醚。

關於纖維及藻類酒精前處理之研究，本人並與台糖研究所合作，成功研發出以傳統加熱及微波加熱，並配合酸溶液前處理木質纖維素（蔗渣）及巨藻（紅藻），及以熱重分析方式深入瞭解木質纖維素在高溫、高壓及弱酸環境中之熱降解行為外，也得知半纖維、纖維及木質素之結構破壞機制，並找出適合破壞木質纖維素、產出五碳糖、並減少抑制劑生成的操作條件，研究成果可應用於醣類抽出及纖維酒精之製造與生產。
 

本研究團隊亦協助中油公司進行生質物裂解產生生質油、生質油與柴油乳化技術、生質物焙燒及裂解兩階段反應機制、生質物催化裂解反應機制之研究。
 

此外亦協助工研院進行鈀薄膜系統設計、聚光式熱電系統設計、熱電晶片幾何構型設計、質子交換膜燃料電池流道設計。其中，熱電晶片幾何構型設計所得結果對於工研院開發熱電系統及應用熱電模組有極大幫助。

 

另也協助台塑公司進行製程廢環氧樹脂焙燒燃料化及廢環氧樹脂潔淨化技術開發、廢環氧樹脂燃燒廢氣排放之研究。
 

因此，本實驗室已成為協助業界研發綠色與再生燃料與潔淨能源之重要實驗室。

 

協助業界研發綠色與再生燃料與潔淨能源

 

建立氫能先進科技研發實驗室及人才培育的搖籃
本實驗室氫能研究重點包含氫氣製造、分離與純化，並以實驗、動力式建模、數值模擬及理論推導方式進行相關技術之建立及現象分析。

 

在設備方面，完成多項創新型製氫反應器之設計、製造與開發，包含微波反應器、超重力反應器、瑞士捲反應器、機械式噴霧反應器、超音波噴霧反應器、富氫與純氫製造之整合裝置等，並開發出先進之氫氣分離薄膜測量系統，能夠以暫態方式，簡易、快速並精確地測量薄膜滲透係數，且單次測量所測得之結果涵蓋多範圍之壓力差分佈。

 

氫能先進科技研發實驗室

 

在技術方面，已成功利用蒸汽重組、催化部分氧化、自熱重組、水氣轉移、甲烷熱分解反應等傳統及特殊環境中（如微波、超重力、熱回收及霧化等）進行氫氣之製造，並成功建立上述各式反應之反應動力模型及模擬工具，進行氫氣生成反應現象之預測。上述相關之設備及技術已取得11項美國及中華民國發明專利。在學理方面，不但成功開發出低成本、省空間及高反應效率之微波反應器，也成功結合Maxwell方程式及連續、動量、能量及成分方程式，發展出甲醇蒸汽重組、水氣轉移反應及甲烷熱分解動力式，同時以實驗、模式化及模擬方法得知微波入射對於溫度、製氫化學反應及電磁場之交互作用。

在所開發出的超重力反應器，使旋轉填充床在高溫及旋轉中產生超重力環境，並加速質量傳遞及化學反應，因而使水氣轉移反應在高轉速環境中的化學反應增強70%。本超重力反應器為國際上首次進行高溫超重力反應，在設備上具有突破性，此外，研究中以理論方式提出「重力數(G number)」，闡述反應器中離心力對於水氣轉移反應產氫之強化效應。
 

在所開發出先進之氫氣分離薄膜測量系統，並以理論方式提出「滲透數(permeation number)」，闡述氫氣穿越薄膜之暫態質傳動力機制，可做為設計氫氣分離設備之依據。
 

此外，本實驗室近期並成功運用Nelder-Mead演化計算法進行多薄膜管幾何構型設計，以降低氫氣濃度極化現象，並最大化氫氣分離及回收效率。
 

另外，本人執行中鋼產學合作計畫，針對中鋼高爐氣及焦爐氣進行製氫之評估，以得知中鋼廠內氫氣生產之潛能，並進一步探討以所產生的氫氣進行鐵礦還原，以做為未來煉鐵減少碳排放之操作參考。
 

以上氫氣產生、製造及分離方面等成果，在學理上具有特殊學術貢獻，在工業實務上也有具體成效，受到國際上學界之重視與肯定，並成為氫能人才培育的搖籃。

 

前瞻能源系統之設計與開發
近期本實驗室的另一研發重點為前瞻能源系統之設計與開發。除利用田口法(Taguchi)及反應曲面法(Response surface method)進行能源系統之實驗設計，以找出反應程序最佳的燃料產率及能源系統最高功率輸出外，目前則進一步結合人工智慧中的演化計算法則，完成能源系統之設計。例如利用粒子群優化(particle swarm optimization, PSO)演化計算法，找出生質物經焙燒及裂解動力式，成功預測微藻內成份的熱降解特性，以利於反應器設計並製造燃料；利用多目標基因演算法(multi-objective genetic algorithm, MOGA)成功設計熱電發電器的單一材料幾何構型，及多重材料組合幾何構型，以大幅提升功率輸出；利用Nelder-Mead 演算法，成功設計多管鈀薄膜管系統，找出薄膜管的最佳排列位置與構型，以有效降低濃度極化現象，並提升氫氣回收率。

 

演化計算法則應用於能源系統

 

 

陳維新特聘教授：「如果你對創造知識、吸收新知以及研發具有高度的熱情，GENFUEL非常歡迎你的加入，我們會把你塑造成為最好的人才。」

 

你有夢，想飛嗎？GENFUEL團隊歡迎你/妳。

 

意猶未盡〜〜

陳維新老師的綠色能源與燃料實驗室

國立成功大學科學創新中心_組織成員

國立成功大學科學創新中心_fb粉絲專頁

國立成功大學科學創新中心_Youtube影音頻道