固態氧化物燃料電池(SOFC) 原理與檢測

授課老師：楊哲化

教授

課程大鋼

• 燃料電池簡介• 固態氧化物燃料電池(SOFC)介紹及原理• 非破壞檢測(NDT)介紹• 雷射超音波技術(LUT)介紹• SOFC發展技術• 雷射超音波技術應用在SOFC之檢測• 未來展望

前言

• 資源耗竭– 現今世界能源多偏重於化石燃料，全球蘊藏的原油平均開

採年限僅約41年、天然氣約62年。在後石油時代，全球經 濟發展勢必面臨高油價之威脅。

– 世界上許多資深能源專家預測，世界常規石油產量可能在 2010年達到峰值，石油生產在2010年開紿下降，世界將更 加依賴中東石油，據此估計廉價石油的時代將在2020年前 後結束。

– 如何節約能源，提高能源使用效率，並善用『潔淨能源』 與『再生能源』，即將成為現今能源科技發展之主流。

潔淨能源

• 基於能源與環境保護之考慮，各種清潔能源之科技 發展在本世紀之後期即顯得非常蓬勃。

• 如：風能、太陽能、地熱、潮汐等發電技術均有顯 著進步，不過最具發展潛力之潔淨能源科技應為氫 能科技(Hydrogen energy)與燃料電池(fuel cell) 。

• 特別是燃料電池技術已趨近於商業化，評估可能成 為二十一世紀最重要能源科技之一。

綠色能源優勢

• 過去十年太陽光電、風力發電市場以20~30%成長速 度，超越傳統能源發電技術。

• 不計入環境與社會成本下，目前太陽光電發電成本 為傳統電力成本5~10倍、風力發電成本已接近傳統 電力(天然氣)。

• 風力、太陽能源受環境影響大、不穩定能源。•• 燃料電池與氫能，潔淨、高效率、可儲存、運送以

及發電穩定。• 未來新能源突破趨勢–風力發電+氫能與燃料電池。

燃料電池科技的前瞻與創新性

• 高效率、低污染的燃料電池科技，與資訊，生物科 技並列為二十一世紀三大主要科技。

• 燃料電池必須跨多項研究領域整合專業團隊，才能 創新突破。

• 燃料電池材料簡單、結構模組化，應用領域寬廣， 不只開創綠色科技產業，更能幫助傳統產業轉型為 新興高科技產業。

燃料電池種類

‧燃料電池有多種的分類方式，如以燃料電池之電解質 （electrolyte）及溫度來區分：

– 高分子膜燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC ) 80~100℃

– 鹼性燃料電池（Alkaline Fuel Cell, AFC）60~220 ℃– 磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）

180~200 ℃– 熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell,

MCFC）650 ℃– 固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）

1200 ℃

All systems built by technology type

PEMPAFCDMFCSOFCMCFCAFC

6%21%

4%

3%1%

65%

何謂燃料電池？

• 陽極：CH4 + 2H2 O CO2 + 8H+ + 8e-

• 陰極：2O2 + 8H+ + 8e- 4H2O

甲烷

連接導線

•利用電化學反應把氫與氧結合成水， 將化學能轉換成電能，即水電解過程的

逆向反應。

氫 電子水

二氧化碳

氧

Electrolyte

- +

+ +

+2H +

2e -

O 212

2H +

2e -

H 2

2e -

2H +

Anode Cathode

heat+water

H 2O

hydrogen(from fuel)

oxygen(air)

燃料電池基本原理

• 燃料電池基本原理兩個電 極夾著一層電解質

• 陽極：O2 +2e- →O2-• 陰極：4H++O2- →2H2 O+4e

• 燃料電池因沒有經過燃燒 過程，所以不會產生污

染，也不像傳統的火力或 核能發電，需經多次轉換 才能發電。

目前發展主要種類

• 高溫之固態氧化物燃料電池(Solid oxide fuel cell，SOFC),以大型發電系統應用

• 低溫之質子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cell，PMFC), 於車輛與家用

發電• 直接進料甲醇燃料電池(Direct methanol fuel

cell, DMFC)為3C應用主流

固態氧化物燃料電池簡介

• 固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell) SOFC，以固體氧化物作為電解質的高溫燃料

電池，電池工作溫度在800℃~1000℃。• 1899年Nernst提出SOFC概念。1973，Bauy 與Presis完成第一個以SOFC為基礎之工作電

池。• 較早加入SOFC研究之國際部門：美國西屋電

器公司、阿貢國家實驗室、布魯克-海文國家 實驗室。日本電技術實驗室、電力總研究院。

瑞士BBC公司。

• 1986年西屋製造第一 台3kW等級之SOFC

發電機，並且成功運 行5000小時。

• Ztek已經可以將 25kW的SOFC系統，

安裝於一輛卡車上， 並且成功操作超過

25000小時。

SOFC之優點

• SOFC技術在發電領域具有特別大的潛力，元 件結構的簡單性、低成本製造的能力、很高質 量付產的熱（高達1273K）和系統整體的簡單 性。

• SOFC發電系統提供的好處有：– 潔淨和來自低投資成本和超高效率的低價電力– 可使用多種燃料如天然氣，低的NOx、SOx和HC 等污染物的排放、產生的CO2容易收集等。

– 降低地球變暖、提供革新電廠的機會和分散發電 系統的應用以使總的能量價格下降。

SOFC之優點

• SOFC是全固態電池，不存在電解質滲漏問 題，無需電解質管理系統。

• 輸出功率0.3W/㎝2以上，發電效率高達50%。• SOFC工作溫度高，電極反應速度快，不必用

貴金屬作摧化劑。• 利用SOFC本身高溫進行內部燃料重整，可使

系統簡化。• 可使用天燃氣、煤氣，甚至可以利用可燃性廢

氣等多種燃料。

SOFC之優點

• SOFC排出的高溫尾氣與渦輪機構建高效率的聯合發 電系統，發電效率可達70%。

• SOFC使用壽命預期可以超過40000~80000小時。• SOFC可以用作大型的固定發電站，也可以用作小型

的家庭辦公樓等的熱電聯用裝置（CHP），還可用 作運輸工具中的輔助電源APU系統。

• SOFC具有最高的理論發電效率和理論能量利用效率 是其最突出優點之一，它的另一個突出優點是其廣

泛的適用性。

ZTEK's Solid Oxide Fuel Cell Gas Turbine System: For Power Generation

SOFC之缺點

• 氧化物電解質為陶瓷材料，容易脆裂，電池堆 組裝較困難。

• 高溫熱應力作用為引起電池龜裂，故主要構件 的熱膨賬率需嚴格匹配。

SOFC之組成與特性

• SOFC材料應滿足在高溫工作時化學穩定性， 相容性以及耐久性。

• SOFC之基本組成包括：電解質、陽極、陰 極。

Electrolyte Tape

Cathode: LSM(錳酸鑭) ~30μmElectrolyte：8mol% Y2O3 YSZ

電解質(Electrolyte)之特性

• 釔穩定氧化鋯(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ) 是SOFC最早所使用的電解質材料，其材料具

有以下性質：– 氧離子導電率高，減小歐姆極化損失。– 電解質膜厚均勻，加工過程無污染。– 氧化或還原過程中，均能保持性能之穩定性。– 與極板間膨脹率匹配相容性好。

• 目前有許多開發出之新電解質材料，如： Bi2 O3、CeO2、Ta2 O5，但YSZ仍然是目前公 認最佳的電解質材料。

SOFC燃料電池的電解質層對導電率以及操作溫度的影響

• 降低操作溫度而且具有足夠的氧離子電導率，降低 YSZ電解質的薄膜厚度是唯一的途徑

• YSZ的薄膜厚度降低到15微米以下時，許多關鍵的 技術問題也就相應而生。這些問題包括：

• 能量傳遞的問題(power dissipation)• 電解層薄膜厚度量測與監控問題，• 薄膜厚度均勻性的控制問題，• 機械強度問題。

Voltage V.S Temperature

電解質厚度 V.S 阻力

YSZ薄膜製造技術

• YSZ薄膜製造技術主要有：– 化學氣相沉積(CVD)與物理氣相沉積(PVD)– 電化學氣相沉積(Electrochemical Vapor

Deposition, EVD)– 電永沉積法(EPD)– 溶膠-凝膠法(Sol-Gel)– 濺鍍法(Sputtering)

YSZ薄膜製造技術

• 利用EVD沉積法可得到密度較高之YSZ，一般 厚度可控制在40μm左右，但成本較高

• Sputtering一般可將厚度控制在20μm• YSZ沉積過程中，減少Y2 O3含量及掺雜少量 Al2 O3，可提高YSZ之強度• 薄膜化之YSZ可大幅度降低歐姆極化，並且可

應用於中溫之SOFC。

陽極板(Anode)

• 目前普遍採用Ni-YSZ多孔性金屬陶瓷做SOFC 陽極材料，其特性要求：

– 對電性養化反應具有優良的摧化活性– 電子導電率高– 還原過程中能保持結構穩定– 熱膨脹係數與電解質材料匹配– 多孔性電極結構能滿足燃料氣體供給產物離開反

應界面– 化學與機械定性好，由室溫至工作溫度區間內不

發生相轉變。

• 金屬鎳之熱膨脹係數在高溫時為

，與 YSZ之熱膨脹係數

非常接近

• 金屬鎳掺雜YSZ的作用有：– 支撐骨架與抑制鎳燒結– 使陽極之熱膨脹係數與電解質更接近– 保持陽極與電解質間結合牢固

• 陽極製作之關鍵技術在於控制金屬陶瓷的組成，以 調整Ni-YSZ之熱膨脹係數

6 110.3 10 K− −×6 110.0 10 K− −×

陰極(Cathode)

• SOFC之陰極需長期在高溫及氧化過程中工作，對 陰極材料之要求：

– 氧化過程中化學穩定性高– 電子導電性與離子導電性均良好，且在1000℃以下時導

電率仍不能低於– 對氧的電化學還原反應具有良好的摧化性– 具有氣體傳輸性良好的多孔構造– 由室溫到1000 ℃的溫度區先不產生相變化– 與電解質YSZ之熱膨脹係數匹配良好，確保在升溫與降

溫的熱循環過程中兩者緊密接觸。

1 1500 cm− −Ω •

SOFC之種類

• SOFC系統的發展過程中出現過多種電池的設 計，兩種最常用的SOFC的設計是圓管式和平 板式

• 管式設計之SOFC一端 為封閉

• 空氣通過位於電池管內 的陶瓷噴射管引入到電 池封閉附近；燃料由電 池管外部封閉端流向電 池管開口端，在燃料流 過電極表面時被電化學 氧化的同時產生電力。

• 一般情況下，在電化 學反應中燃料的利用 率為50-90%。

Single cell

• 陽極:Ni-YSZ• 電解質:YSZ• 陰極:LSM–YSZ

LSMLSCF

圓管式SOFC之發電系統

• 單一管狀電池並聯和串聯的形式組裝成一管 束，該管束為發電機的基本構塊

• 電池束串聯排列以形成所需的電壓和發電機模 組即電池堆

• 100kWSOFC電池堆可由排列成12束列每一列 由四個電池束組成 。

• 荷蘭以脫硫天然氣為燃料成功地操作了兩年， 而性能沒有明顯的下降。以47%的電效率提供 108kW的交流電供給電網，並有大約85kW的

熱水提供給該地區的熱力系統。

平板式SOFC之發電系統

• 管式設計SOFC由於其輸出功率密度低只能用於固定的發電 裝置。

• SOFC的板式設計則可以提供大到約2W/cm2的輸出功率密 度，完全能夠適用作為可移動的發電裝置。

SOFC單電池組件 SOFC的電池堆結構

• 平板式電池採用低成本的通用陶瓷加工技術如：– 帶鑄（tape casting）– 塗漿燒結（slurry sintering）– 篩網印刷（screen printing）– 等離子噴灑（plasma spraying）

• 採用不同之製程，可分為電解質負載、陰極負載 和陽極負載板式SOFC設計 。

• 電解質負載– 電解質厚度：50-150μm– 工作溫度：1273K

• 電極負載– 陽極或陰極

• 電解質厚度：5-20μm• 工作溫度：1073K

• 一般陽極作為負載體，因為它有很高的熱導率和 電導率、也有很好的機械強度以及與電解質間的 化學相互作用最小等優點。

Electrolyte supported V.S Anode supported

平板式SOFC公司之產品和發展情況

• Ztek公司(美國) – 25kW的SOFC系統，整個系統可裝於一輛卡車– 150kW燃料電池工廠– 200kW級的分散式商用發電系統

25kWSOFC系統

• Sulzer Hexis AG公司 (瑞士)– 小容量的換熱器結構電子堆 (Heat Exchanger

Integrated Stack, HEXIS ) SOFC系列產品

HEXIS結構 HXS1000

• Global Thermoelectric(加拿大) – 工作溫度1023K的陽極負載的SOFC，單個燃料電

池的輸出功率密度大於1W/cm2，電池堆的輸出功 率密度大於600mW/cm2。

– 電解質YSZ厚度5-10μm

SOFC電池堆

– 優越的高溫壓縮密封室– 壓縮密封使電池和聯結器間的

熱應力得降低

其它應用

• SOFC在固定發電廠的應用佔有能源利用效率 最高的優勢,是其應用的最主要領域。

• SOFC在運輸方面的第一個應用是把它作為輔 助電源（APU，auxiliary power units)。

– 獨立提供車上需用的電力

(安全性和舒適性像後窗加 熱、ABS、動力固定、座位調節和加熱、電機和 齒輪箱的控制和其他用電系統等等， )

– 開大功率的空調不會影響汽車的加速動力並能節約燃料– 能量利用效率高而且它的運行與內燃機無關

• 汽車用內燃機的能量利用效率是20-25%，發電 機的效率是50-70%，總效率僅10-17%。而燃料 電池APU的能量利用效率至少在30-50%。

First vehicle (BMW 750iL) with gasoline fuel cell APU (SOFC)

• Delphi Automotive System and BMW 2001年2月

應用燃料電池於其中的各式產品

資料來源：日經BP社橢圓形燃料電池使用於手機

資料來源：日經BP社日立發表內含燃料電池的PDA，上半部為燃料電池，下半部為PDA

TOYOTA於2003 Fuel cell Seminar中發表的FCHV氫燃料電池車 亞太燃料電池公司已

商品化之燃料電池機車

未來電池的誕生及其應用

• 傳統太陽能電池– 十多年來持續降低成本已至底限– 能量轉換效率亦將趨近理論極限，很難再有進展

• 往更高效率、更低成本的路邁進– 導入奈米技術及材料實為刻不容緩的事。

未來電池的誕生

• 二次電池將佔據更大的市場份額– 數位相機，行動和無線電話– 筆記型電腦和多媒體設備等的普及

• 一次電池的市場份額將愈來愈小• 國際環保意識的抬頭 :

– 「綠色電池」的需求– 禁止於二次電池內使用會造成污染的物質外– 強調無污染的燃料電池– 太陽能電池研發

• 應用奈米科技– 加速低污染的新能源產業實用化– 進而商業化，如燃料電池、太陽能電池；– 可應用於二次電池

• 可將電池性能提昇• 增加充放電循環壽命• 確實實踐「輕、薄、短、小」的要求

– 國內能源產業業者• 積極利用奈米科技研發新產品• 致力提昇既有產品性能• 促進真正質輕、低污染、高性能、高電容量之未來電池誕生。

冰天雪地中‧‧‧

一輛車子飛馳而來‧‧‧

http://news.msn.com.tw/cna/afp_full_text.asp?yy=04&mm=02&dd=26&name=230503

新式甲醇燃料電池可供筆記型電腦持續使用10小時。今年下半年投 入生產後，電池外觀還要重新包裝設計，預期體積會再縮小1/3。

（大紀元網頁記者季媛攝） http://www.dajiyuan.com/b5/4/1/9/n445724.htm

http://www.dajiyuan.com/i4/401091649815.jpg

可攜式燃料電池應用

家用固定式燃料電池應用

SOFC大型發電機

燃料電池參考網站

• Fuel Cell Today• Fuel Cell World• 台灣燃料電池資訊網• 台灣杜邦• 國科會技術資料中心TR產業市場報導• 國科會電池資訊網• 元智大學燃料電池中心

Laser ultrasound technique for the characterization of CVD/Diamond films

Student: M. F. HuangAdvisor: C. H. Yang

Date: 2005/07/28

Outline

• Introduction• Background• Methodology

– Theoretical Model– Experimental Method– Inversion Method

• Results and discussions• Conclusions

CVD diamond film (CVDDF)

• Hot filament CVD• MW Plasma CVD• RF Plasma CVD• DC Plasma CVD

CH4 H2

Activation

H H2 CH3CH2 CH

CH CH2 CH3H2

H2

Substrate

Properties of CVDDF

• High acoustic velocity • Low thermal expansion coefficient• High thermal conductivity • Very good electrical insulator• Broad-band optical transparency

10000~18000m/s

1*10-6K

2 * 103 W/m/K

~1016 W cm

UV~IR

Applications of CVDDF

CVDDiamond

CVDDiamond

Electro-Optical IndustryFED LED

Diamond Window

Electro-Optical IndustryFED LED

Diamond Window

MEMS IndustryMicro ActuatorU.V. Detector

Wear Resistive Component

MEMS IndustryMicro ActuatorU.V. Detector

Wear Resistive Component

Communication IndustryHigh Frequency Device

(Filter,Bluetooth, Satellite)

Communication IndustryHigh Frequency Device

(Filter,Bluetooth, Satellite)

Electronics IndustryInsulator

Heat Spreader Diamond Electronics

Electronics IndustryInsulator

Heat Spreader Diamond Electronics

From ITRI

http://www.kobelco.co.jp/showroom/np0802e/np080218.gifhttp://www.kobelco.co.jp/showroom/np0802e/np080259.gif

Researches on CVDDF

Research subjectof CVDDF

•Residual stress•Microstructure•Property•Manufacture process•Application

Characterizationmethods

•Nanoindentation•Bulge test•Tensile test•Acoustic microscopy•Brillouin spectroscopy•Atomic force acoustic microscopy•Laser-SAW technique

CVDDF

Nano-indentation

2003, Odegard 2004, Trippe

Bulge test

2001, Kraft

Tensile test

2001, Tsuchiya

Acoustic microscopy

MotionController

5800 PRPulser/Receiver

Digital Oscilloscope

PersonalComputer

x

yz

NNS S

G

Water Level

Atomic force acoustic microscopy

AFM +

Longitudinal transducer=

AFAM

2003, Hurley

Laser-SAW technique

2000, Schneider

Background (cont.)

Nanoindentation

Acoustic Microscopy

Brillouin spectroscopy

Atomic Force Acoustic Microscopy

Laser SAW technique

Tensile test

LUT+Lamb wave

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Research ratio

Source: Engineering Index

Background

Research subjectof CVDDF

•Residual stress•Microstructure•Property•Manufacture process•Application

Characterizationmethods

•Nanoindentation•Bulge test•Tensile test•Acoustic microscopy•Brillouin spectroscopy•Atomic force acoustic microscopy•Laser-SAW technique

Acousticmethods

•Convention technique1. LFB2. Bulk transducer•Optical technique1. Narrow-band 2. Laser Ultrasound Technique (LUT)

•Surface acoustic wave •Lamb wave

Theory for multilayerLamb wave

•Matrix method•Partial wave analysis

Inversionmethod

•Simplex•Genetic Algorithm

Measurement for Lamb wave

CVDDF

LUT on CVDDF

• Laser SAW• Narrow band technique (SAW)• Time of First Arrival (TOFA)• Leaky Lamb wave

Laser SAW

Known: C11, C12, C44, ρsi , hsi , ρ, h,

Solve: E, ν

2001, Hurley

Narrow band technique

1991, Huang

TOFA (Time of First Arrival)

2003, Flannery

often quoted: E=1143GPa, ν=0.07

Leaky Lamb wave

1999, Rostyne

1990, Mal

U characterization(1)

Ultrasound-based material characterization(2)

“Poisson’s ratio has large measurement error.”

2004, Berezina

Brillouin Spectroscopy+

Laser SAW technique↓

E, ν of DLC

2001, Zhang

tfilm < 0.5% λL ，ρ can’t determined

U characterization(3)

Ultrasound-based material characterization(4)

“The developed method may be applied to determine only one of the parameters.”

1992, Behrend

Surface acoustic microscopy+

Simplex↓

E, ν, ρ of Copper film on a polymer substrate

ObjectiveTo develop a technique for the characterization of CVDDF properties based on Laser ultrasound technique, Lamb wave and Simplex (LLS).

Methodology

Theoretical dispersion

curves

Laser ultrasound techniqueLamb wave

Simplex

Measured dispersion

curves

Objectivefunction

fobj. < ε

DeterminedMaterial & Geometry

Properties

Yes

No

Theoretical dispersion

curves

Measured dispersion

curves

Objectivefunction

fobj. < ε

DeterminedMaterial & Geometry

Properties

Theoretical Models• Isotropic single layer• Anisotropic single layer

(Cubic Silicon)• Isotropic film on anisotropic

substrate (CVDDF on silicon)

Isotropic single layer

x3

x1

x2

0233223213 ===−−− hIsohIsohIso σσσ

0233223213 ===+++ hIsohIsohIso σσσ

h i

Boundary condition

( )( )

0)2(

)2(

3

122

22

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+++−+

++++−Iso

Iso

Iso

Iso

UU

cc

μλαμρμλαμλααμλρ

)( 31 ctxxiIsoj

Isoj eUu

−+= αξ

)(21

,, ijjiij uu +=ε

klijklij c εσ =

ijij u&&ρσ =,?

0234 =++++ DCBA αααα

det∣∣= 0

Isotropic-u1, u3

∑=

−+=4

1

)(131

31),1(,q

ctxxiIsoq

Isoq eUWuu

αξ

∑=

−+=4

1

)(1211333

31),(,q

ctxxiIsoq

Isoq

Isoq eUDDi

αξξσσ

Isoq

Isoq WU ,

)( 31 ctxxiIsoj

Isoj eUu

−+= αξ0234 =++++ DCBA αααα

BoundaryCondition

Isotropic-u2

)(22

31 ctxxiIsoIso eUu −+= αξ

∑=

−+−+=6

5

)(1

222

31])1([q

ctxxiIsoq

Iso eUcu αξραμ

∑=

−+=6

5

)(1323

31

q

ctxxiIsoq

Isoq eUDi

αξξσ

Boundary Condition

0233213 ==++ hIsohIso σσ

0233213 ==−− hIsohIso σσ

0223 =+ hIsoσ

0223 =−hIsoσ⎥

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

636535

414313212111

424323222121

636535

414313212111

424323222121

00000000

00000000

det

RDRDRDRDRDRDRDRDRDRD

QDQDQDQDQDQDQDQDQDQD

m

IsoIso

IsoIsoIsoIso

IsoIsoIsoIso

IsoIso

IsoIsoIsoIso

IsoIsoIsoIso

where

)21sin()

21cos(,)

21sin()

21cos(

)(,)2( 21

hihRhihQ

WDWD

qqqqqq

Isoqq

Isoqq

Isoq

Isoq

ξαξαξαξα

αμαμλλ

+=−=

+=++=

q=1..4

)21sin()

21cos(,)

21sin()

21cos(

3

hihRhihQ

D

qqqqqq

qIsoq

ξαξαξαξα

μα

+=−=

=q=5,6

Dispersion curves

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100123456789

101112131415

SH2S2A2

SH1S1A1

Pha

se v

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

A0

S0 SH0

Steel============E=207 GPaν=0.3ρ=7820 kg/m3h=0.5mm

Anisotropic single layer (Cubic Silicon)

x1

x3

b

x20233223213 ===

+++ bsbsbs σσσ

0233223213 ===−−− bsbsbs σσσ

Boundary condition

)( 31 ctxxisj

sj eUu

−+= βξ

Sq

Sq

Sq WVU ,,

)(21

,, ijjiij uu +=ε

klijklij c εσ =

iijij uF &&ρσ =+,

0

332313

232212

131211

=⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

sq

sq

sq

sss

sss

sss

WVU

KKKKKKKKK

∑=

−+=6

1

)(1321

31),,1(,,q

ctxxisq

sq

sq

sss eUWVuuu βξ

∑=

−+=6

1

)(1321231333

31),,(,,q

ctxxisq

sq

sq

sq

sss eUDDDi βξξσσσ

x1

x3

b

x20233223213 ===

+++ bsbsbs σσσ

0233223213 ===−−− bsbsbs σσσ

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

616515414313212111

626525424323222121

636535434333232131

616515414313212111

626525424323222121

636535434333232131

det

CDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTD

m

ssssss

ssssss

ssssss

ssssss

ssssss

ssssss

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

616515414313212111

626525424323222121

636535434333232131

616515414313212111

626525424323222121

636535434333232131

det

CDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTD

m

ssssss

ssssss

ssssss

ssssss

ssssss

ssssss

6..1),21sin()

21cos(

6..1),21sin()

21cos(

=+=

=−=

qbibC

qbibT

qqq

qqq

ξβξβ

ξβξβ

qqqqqsq

qqqqqsq

qqqqqsq

WccVccccD

WccVccccD

WccVccccD

)()(

)()(

)()(

4534464445143

5535564555152

3533363435131

+++++=

+++++=

+++++=

βββ

βββ

βββ

Dispersion curves

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200123456789

1011121314151617181920

S5

A5

SH5

S4

A4

SH4

S3

Pha

se v

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

A0

S0

SH1

A1

S1

SH2

A2

S2

SH3

A3Silicon (100)===========ψ=45°C11 =165.7 GPaC12 =63.9 GPaC44 =79.56 GPaρ=2330 kg/m3h=1mm

Isotropic film on anisotropic substrate (CVDDF on silicon)

∑=

−+=4

1

)(131

31),1(,q

ctxxiIsoq

Isoq eUWuu

αξ

∑=

−+=4

1

)(1211333

31),(,q

ctxxiIsoq

Isoq

Isoq eUDDi

αξξσσ

∑=

−+−+=6

5

)(1

222

31])1([q

ctxxiIsoq

Iso eUcu αξραμ

∑=

−+=6

5

)(1323

31

q

ctxxiIsoq

Isoq eUDi

αξξσ

Isotropic

∑=

−+=6

1

)(1321

31),,1(,,q

ctxxisq

sq

sq

sss eUWVuuu βξ

∑=

−+=6

1

)(1321231333

31),,(,,q

ctxxisq

sq

sq

sq

sss eUDDDi βξξσσσ

Silicon

X1

X3

Silicon

Isotropic

b

h0

0,, 332313 =+++ hIsohIsohIso σσσ

0

3

0

3

0

2

0

2

0

1

0

1

0

33

0

33

0

23

0

23

0

13

0

13

,,

,,sIsosIsosIso

sIsosIsosIso

uuuuuu ===

=== σσσσσσ

0,, 332313 =−−− bsbsbs σσσ

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−−−−−−−−−−−−−−−−−

−−−−−−−−−−−−−−−−−−

=

ssssssIsoIsoIsoIso

ssssss

ssssssIsoIsoIsoIso

ssssssIsoIso

ssssssIsoIsoIsoIso

IsoIsoIsoIsoIsoIso

IsoIsoIsoIsoIsoIso

IsoIsoIsoIsoIsoIso

ssssss

ssssss

ssssss

WWWWWWWWWWVVVVVV

DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD

RDRDRDRDRDRDRDRDRDRDRDRDRDRDRDRDRDRD

TDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTDTD

m

6543214321

654321

16151413121114131211

3635343332313635

26252423222124232221

616515414313212111

636535434333232131

626525424323222121

616515414313212111

636535434333232131

626525424323222121

00110000

11111100111100

000000

000000000000000000

000000000000000000

det

Dispersion curves

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

20

25

30

S4

A4

SH4

S3

A3

SH3

S2

A2

SH2

Pha

se v

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

A0

S0

SH1

A1

S1

Silicon (100)===========ψ=45°C11 =165.7 GPaC12 =63.9 GPaC44 =79.56 GPaρ=2330 kg/m3h=0.5mm---------------------E=1143 GPaν=0.07ρ=3300 kg/m3h=20 μm

Experimental Method

• Specimen preparation• Ultrasound generation• Knife-edge technique• Experimental setup• Signal processing

Theoretical dispersion

curves

Measured dispersion

curves

Objectivefunction

fobj. < ε

DeterminedMaterial & Geometry

Properties

Specimen preparation

Material Thickness (μm)

CopperAluminum

Steel

199472492

Silicon515517526

Silicon / CVDDFSilicon / CVDDFSilicon / CVDDF

516 / 3520 / 10518 / 20

3μm10μm

20μm

Al Cu Steel

Instrumentations

Equipment specificationsNd:YAG Pulse Laser Wave length=532nm

Energy=180mJDuration time=6.6ns

He-Ne CW Laser Power=50mW

Photo receiver Band Width=125MHz

Stepper motor & controller

Resolution=2.5μm

Oscilloscope Band width=400MHz

High frequency A/D card 8 bitBand width=250MHz

Generation of ultrasound in LUT

Thermal Wave Field

Absorption of Electromagnetic RadiationUltrasonic Wave Field

Incident Laser Beam

Knife-edge technique

Λ

Focused laser beam

Reflected beam

DetectorKnife edge

θ

Specimen

Experimental setup

xxxxx

Oscilloscope

Specimen

Stepper motor

Motor Controller

Lens

MirrorNd:YAG Laser

Photo receiver

He-Ne Laser

B-scan

Form Pulse Laser

Laser probe

Scanning direction

Time domain waveforms

Signal processing

kfVp

π2=

Time (μs)

Sca

n di

stan

ce (m

m)

Sca

n di

stan

ce (m

m)

Frequency (MHz)

Frequency (MHz)

k (1

/mm

)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150123456789

101112131415

Phas

e V

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

Inversion Method

• Simplex method• Objective function • Convergence condition

Theoretical dispersion

curves

Measured dispersion

curves

Objective function

fobj. < ε

DeterminedMaterial & Geometry

Properties

Simplex Method

Theoretical dispersion curves

Simplex

Measured dispersion curves

Objective function

fobj. < ε

DeterminedMaterial & Geometry

Properties

Yes

No

Initial Guess of Material and Geometry Properties

High

Low

Reflection

Expansion

ContractionOverall Contraction

Objective function

( )2

1 1. )()(

11∑ ∑

= =

−=m

j

n

i

Experimenti

Theoryi

jobj

j

fVfVnm

f

：Theoretical phase velocity：Experimental phase velocity

n ：number of points in a modem：number of modes

TheoryifV )(Experiment

ifV )(

isotropic single layer

A particular angle of anisotropic media

Y

Z

X3

X, X1

φ

X2

Objective function

( )∑ ∑ ∑= = =

−=l

k

m

j

n

i

Experimenti

Theoryi

jkobj

k j

fVfVnml

f1

2

1 1. )()(

111

：Theoretical phase velocity：Experimental phase velocity

n ：number of points in a modem：number of modes l ：number of angle

TheoryifV )(

ExperimentifV )(

For multi-angle anisotropic media

0°15°30°45°

Simplex convergence criteria

( ) ε

Fitting experimental dispersion curves

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150123456789

101112131415

Pha

se V

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0123456789

101112131415

Pha

se V

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

Results and Discussions

• Single Isotropic layer• Single anisotropic layer (Silicon)• Isotropic films on Silicon substrate

Single Isotropic layer

Al Cu Steel

Single Isotropic layer

• Measurement data• Parameter sensitivities on dispersions• Convergence tests for Simplex • Inversely calculated properties

Measurement data

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150123456789

101112131415

Pha

se v

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

LUT Partial wave analysis

Beryllium Copper==============E=115GPaν=0.3ρ=8260 kg/m3

h=0.199mm

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140123456789

10111213141516

Phas

e ve

loci

ty (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

LUT Partial wave analysis

Aluminum==========E=70GPaν=0.33ρ=2700 kg/m3

h=0.472mm

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150123456789

101112131415

Pha

se v

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

LUT Partial wave analysis

Stainless steel=================E=207GPaν=0.3ρ=7820 kg/m3

h=0.492mm

Parameter sensitivities on dispersions

Simplex convergence tests• 4 variables (E, ν, ρ, h)• 3 variables (E, ν, h)• 2 variables (E, ν)• Relation of E &ρ

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150123456789

101112131415

Pha

se v

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

1st 2nd 3rd 4th 5th 6th 7th 8th Exp.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150123456789

101112131415

Pha

se v

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

1st 2nd 3rd 4th 5th 6th 7th 8th 9th 10th 11th Exp.

Inversely calculated properties

Cu Al Steel

Simplex

E=125 GPaν=0.34ρ=8260 kg/m3

h=0.199 mm

E=74.7 GPaν=0.33ρ=2785 kg/m3

h=0.472 mm

E=203 GPaν=0.29ρ=7810 kg/m3

h=0.492 mm

Reference

E=115 GPaν=0.3ρ=8260 kg/m3

h=0.2 mm

E=70 GPaν=0.33ρ=2700 kg/m3

h=0.472 mm

E=207 GPaν=0.3ρ=7820 kg/m3

h=0.492 mm

Comments

• Among (E, ν, ρ, h), h can be determined with the highest accuracy.

• If ρ is specified in advance, (E, ν, h) can be determined with high accuracy.

Single Anisotropic Layer

Single anisotropic layer

• Measurement data• Parameter sensitivities on

dispersions• Convergence tests for Simplex • Inversely calculated properties

Propagation angle (ψ)

Y

Z

X3

X, X1

φ

N-type Silicon at (100)

X2

Measurement data

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200123456789

1011121314151617181920

Pha

se v

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

Pure silicon : φ=0o, t=0.517mmLaser ultrasound techniqueAuld's coefficients

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200123456789

1011121314151617181920

Pha

se v

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

Pure silicon : φ=30o, t=0.515mmLaser ultrasound techniqueAuld's coefficients

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200123456789

1011121314151617181920

Pha

se v

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

Pure silicon : φ=45o, t=0.526mmLaser ultrasound techniqueAuld's coefficients

Parameter sensitivities on dispersions

Simplex convergence tests

• 5 variables (C11 , C12 , C44 , ρ, h)• 4 variables (C11 , C12 , C44 , h)• 3 variables (C11 , C12 , C44 )• Convergence of (C11 , C12 , C44 )

influenced byρ

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200123456789

1011121314151617181920

Pha

se v

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

1st 2nd 3rd 4th 5th 6th 7th 8th Exp.

Back substitution from the inversely calculated properties

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200123456789

1011121314151617181920

Pha

se V

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

1st 2nd 3th 4th 5th 6th 7th 8th 9th

10th 11th 12th 13th 14th 15th 16th 17th Exp.

Back substitution from the inversely calculated properties

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200123456789

1011121314151617181920

9th 10th 11th 12th 13th 14th 15th Exp.

1st 2nd 3th 4th 5th 6th 7th 8th

Pha

se V

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

Back substitution from the inversely calculated properties

Inversely calculated properties for Silicon Wafers

Sample 1(h=0.515 mm)

Sample 2(h=0.517 mm)

Sample 3 (h=0.526 mm)

Objective function #1

C11 =165.8 GPaC12 =63.5 GPaC44 =80.8 GPa

C11 =166.7 GPaC12 =64.7 GPaC44 =80.5 GPa

C11 =164.8 GPaC12 =63 GPaC44 =80.5 GPa

Objective function #2

C11 =165.5 GPaC12 =63.9 GPaC44 =80.9 GPa

C11 =165.7 GPaC12 =64 GPaC44 =80.7 GPa

C11 =166 GPaC12 =63.8 GPaC44 =80.2 GPa

Reference C11 =165.7 GPaC12 =63.9 GPaC44 =79.56 GPa

C11 =165.7 GPaC12 =63.9 GPaC44 =79.56 GPa

C11 =165.7 GPaC12 =63.9 GPaC44 =79.56 GPa

CVDDF on Silicon substrate

3μm

10μm20μm

CVDDF on Silicon substrate• Measurement data• Parameter sensitivities on dispersions• Convergence tests for Simplex • Inversely calculated properties

Measurement data for t= 3μm

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200123456789

1011121314151617181920

Pha

se v

eloc

ity (k

m/s

ec)

Frequency (MHz)

φ=45o , Silicon coating 3μm CVDDF======================

without coating with coating Exp. by LUT

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

20

25

30P

hase

vel

ocity

(km

/sec

)

Frequency (MHz)

φ=45o , Silicon coating 10μm CVDDF======================

without coating with coating Exp. by LUT

Measurement data for t= 10μm

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

20

25

30P

hase

vel

ocity

(km

/sec

)

Frequency (MHz)

φ=45o , Silicon coating 20μm CVDDF======================

without coating with coating Exp. by LUT

Simplex convergence tests

• 4 variables (E, ν, ρ, h)• 3 variables (E, ν, h)• 3 variables (E, ν, ρ)• 2 variables (E, ν)

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

20

25

30P

hase

vel

ocity

(km

/sec

)

Frequency (MHz)

1st. 2nd. 3rd. 4th. 5th. 6th. 7th. 8th. 9th. 10th. 11th. Exp.

φ E (GPa) ν

0° 1121 0.215° 1043 0.1930° 832 0.4745° 1134 0.45

mean 1032 0.32

Inversely calculated properties(1)

LLSTest E (GPa)

1 2732 1703 284 675 2046 219

mean 160

Nanoindentation

Film thickness=20μm

Inversely calculated properties(2)

Test E (GPa)1 6862 7623 2104 1855 6546 722

mean 537

φ E (GPa) ν0° 1083 0.4415° 1677 0.1330° 861 0.4745° 1221 0.07

mean 1210 0.28

LLS Nanoindentation

Film thickness=10μm

Inversely calculated properties(3)

h=10um h=20um

200

400

600

800

1000

1200

E mea

n (G

Pa)

Sample

LLS Nanoindentation Reference value

Comments

• Inverse calculation using S-mode or SH-mode leads to a better resolution in determining E and ν.

• If one of the variables in (ρ, h) is specified in advance, another variable can be determined with high accuracy.

• (ρ, h) can be determined with higher accuracy than (E,ν).

Conclusions: (1/3)

1. An integrated LUT/LW/SIMPLEX (LLS) method is investigated for the determination of material/geometric properties of bulk (isotropic and anisotropic) materials and substrate/film structures. Accuracy and convergence conditions are characterized.

2. The LLS technique is proved to be applicable for the determination of properties of CVDDF.

3. While LLS is used to evaluate properties of bulk materials,(a) 1 to 3 variables can be measured for isotropic materials,(b) 1 to 4 variables can be measured for cubic materials,(c) While ρ is determined in advance, other properties can be determined with a high accuracy of better than 1%.

Conclusions (2/3)

4. While LLS is used to evaluate CVDDF film properties:(a) CVDDF film properties including E, ρ and h can be

determined with LLS. (b) Substrate properties have substantial influence on the

determination of film properties with LLS. However, reference material properties are applicable .(c) Inverse calculation using S-mode or SH-mode leads to a better resolution in determining E andν. (d) If one of the variables in (ρ, h) is specified in advance, another variable can be determined with high accuracy. (e) (ρ, h) can be determined with higher accuracy than (E, ν).

Conclusions (3/3)5. With the introduction of narrow-band laser generation for

ultrasound, LLS is a technique suitable for on-line determination of film properties in relation to the grade of film.

6. Mores tests on different grades of CVDDF films will be tested with the LLS technique.

Thank for your attention

Interference Fringes

Nd:YAG LaserOptical Probe

4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5.0 5.1 5.2 5.3-40-35-30-25-20-15-10-505

10152025303540

CGU Applied Mechanical Lab. 2002/2/3 20:29:20.000

Am

plitu

de

Time(μs)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0CGU Applied Mechanics Lab.2002/2/3 20:44:16.000

FFT

Inte

nsity

Frequency(MHz)

0 1 2 3 4 5 6 70

2

4

6

8

10

12

14

ω

(MH

z)

k (1/mm)

所有的能源

• 所有的能源，除了核能和地熱之外，幾乎都可 說是廣義的太陽能，都是源自太陽照射的能

量。

Energy

不使地球溫室效應惡化的能源

• 不致使地球溫室效應惡化的可再生能源

• 分成無碳能源和生質能源兩種。

無碳能源像是透過風力、水力或太陽能發電，整個過程中沒 有碳原子的參與，自然就沒有二氧化碳的排放。

生質能源像是生化柴油和酒精等，植物在生長的過程中吸收

二氧化碳轉化成生質能源，使用後所排放的二氧化碳不會超 過植物生長時所吸收的二氧化碳。故使用生質能源的二氧化 碳淨排放量為零。

不虞匱乏的能源

生質能源最大的優點是永不耗竭。以生化柴油 為例，只要有種子、適合的氣候和土地，就可

以不斷地種植油脂作物，不斷地有新的天然油 脂生產，再轉化成新的生化柴油。除此之外， 生質能源的另一個重要特性是碳的循

生生不息的生質能源

• 植物油脂的作用

植物油脂在人類生活中扮演相當重要的角色，不僅供給人類營養、改善膳

食口感，更提供潤滑效果。

一般「油脂」的主要成分是脂肪酸與甘油。脂肪酸具有一長串的碳鏈，依

碳數不同可將脂肪酸分為長、中與短鏈三種。一般碳數達 12 以上，即可 稱為長鏈脂肪酸。依碳鏈飽和度又可區分為飽和與不飽和脂肪酸。不飽和 脂肪酸若含有二個以上的不飽和雙鍵，則稱為多元不飽和脂肪酸。

黃豆、油棕櫚、油菜籽、向日葵籽、棉花籽與花生等六種作物的產油脂能

力都很高，產量占全世界植物油脂的百分之八十四。植物所產油脂約有百 分之九十是供人類食用，僅有約百分之十應用於非食用品。

雖然油脂作物含油脂量高，但由於可耕作土地及年收成次數有限，近年來

紛紛改以微生物生產油脂。 。

生質能

• 有機物亦稱生質(biomass)，能直接或間接 地充當燃料使用，其主要成分為碳氫化合

物，主要來自植物的光合作用，地球植物 每年光合作用約吸收全球一年總消費能量 的十倍，各種具有潛力的能源中，生質能 可滿足未來能源的部分需求。

優 點

• 提供低硫燃料，降低空氣汙染• 在某些條件下提供廉價能源• 可減少環境公害，如垃圾等• 與其他新能源相較，技術難題較少

缺 點

• 植物僅能將極少量之太陽能轉化成生質• 生質能密度偏低• 土地資源有限• 生質之水分偏多(50%-95%)．

來源1．牲畜糞便:牲畜之糞便乾燥後可百接燃燒供應熱能，經過

處理可做為肥料使用。2．農作物殘渣:不可毫無限制地供作能源轉換。3．薪柴:由於貧窮國家需求日益增加，導致林地日減，需適

當規畫與植林。4．製糖作物:將製糖作物轉化成乙醇，是一種極富潛力之生

質能。5．城市垃圾:百接燃燒可產生熱能，或經過處理可製成燃料

使用。6．水生植物:利用水生植物轉化成燃料，也是增加能源供應

的方法之一。7．種植能源作物:包括快速成長作物樹木、糖與澱粉作物(供

製造乙醇)、含油與碳氫化合作物、水生植物。能量供應來 自生質能是十分可觀的，據估計，生質能約占全世界能源

總消費量的20%，若將所有水力發電轉變為熱能，則只能供 應由燃燒農村廢料所得熱量的十六分之一而已，但廢料的

收集、運輸及轉變為燃料，這一連串的過程，其費用則要 比現在石油產品時價還要高幾倍。

環境與經濟之衝擊

1．使用廢物、家畜糞便生產能量，可減輕廢物 處理問題。

2．利用裝設於農村附近的殘渣來製造燃料，不 但能減少能源原料的運輸費用，並且殘渣又可 充當農田肥料。

3．將工業廢料與城市垃圾轉換成熱能或電力， 可維護環境品質，同時可減少堆置掩埋所需之 土地。

太陽光電知多少

太陽光照射整個地球表面1小時 內的能量，約可供全人類使用1

年。

太陽光電科技中心

• 任務：• 帶領太陽光電產業競逐全球市場• 加速新型太陽光電技術的商品化• 政府太陽光電發展政策的智庫• 目標：• 國內太陽光電產值於2013年達到1500億台幣，佔全球15%

市場

• 強化發展中的矽晶電池產業與德國，日本的競爭力• 建立領先的薄膜及染料敏化太陽光電技術，拓展新應用• 超越政府訂定的裝置目標(2010年，21MW)

研究領域

• 配合政府能源政策推廣，開發低成本高效率之太陽 電池，以降低太陽光發電成本，促進實用化。

• 精研太陽電池製程技術，促進國內太陽電池產業蓬 勃發展。

• 積極投入下世代奈米太陽電池開發。• 薄型矽晶太陽電池模板封裝技術開發。• 太陽電池模板測試實驗室建立。• 建材一體太陽電池模組結構系統與組裝機構開發。• BIPV模組及結構系統之性能評估與檢測技術開發。• 太陽光電發電系統應用推廣。• 太陽光電產業推動。

相關網站

聯絡窗口

• 相關網站• 太陽光電資訊網• 太陽光電產業聯誼會•• 聯絡窗口• 太陽光電科技中心

中心副主任兼代主任

徐瑞鐘

博士

886-3-5916277 SHYURJ@itri.org.tw 林江財

博士

886-3-5917794 JiangTsairLin@itri.org.tw 蔡松雨

博士

886-3-5917789 songtsai@itri.org.tw 陳榮顯

博士

886-3-5915283 chenjs@itri.org.tw

http://www.solarpv.org.tw/http://www.solarpv.org.tw//industry/tpvia.aspmailto:SHYURJ@itri.org.twmailto:JiangTsairLin@itri.org.twmailto:songtsai@itri.org.twmailto:chenjs@itri.org.tw

核能產生

核能運輸

核能轉換

核能利用

生質能產生生質能是指所有有機物、

植物、動物與其代謝物

皆可產生能量即為生質 能 。

httpzh.wikipedia.org wiki

httpwww.hcsh.tp.e du.tw~nat16new_p age_58.htm

生質能運輸植物、動物與其代謝物可以固、液與氣體形式

運輸。

httpzh.wikipedia.orgw

Sugar plateform(生物化學技術)

Thermochemical platform(熱化學技術)

熱電共生燃料

化工原料

Clean gas

Residues

生質能

Conditioned gas

Sugar feedstocks

http://www.itri.org.tw/chi/services /ieknews/200612150338455E3F A-0.doc

生質能轉換植物、動物與其代謝物可以化學處理合成，或細菌、

酵母菌、霉菌等分解為氣體、液體或固體燃料，以便 儲存與運輸。

五個MIT的學生打造了一

個成本只要兩美金的 BioVolt httpchinese.engadget.com

轉換過程 能量形式

燃燒 熱水、蒸汽、電力

有氧發酵（轉化糖類

和澱粉）

乙醇

厭氧分解（轉化糞

便、雜草及其他廢棄

物）

甲烷

氣化熱水、蒸汽、電

力、甲烷、甲醇、

氨氣

化學還原 油料

加水氣化 甲烷、乙烷、焦炭

熱分解 瓦斯、焦炭

生質能利用

燃燒產生熱能直接利 用

或供應發電機動力。

httpzh.wikipedia.orgw httpwww.itri.org.tw

風能產生風是空氣之流動

風流動需要壓力

這種壓力就是風力

風力可以推動風 車。

httpwww.solar-i.comwh2.htm

風能運輸風能是由自然的風力構成，

是否有經濟效益取決於風場的風力狀 況，最常安裝在海岸邊與山坡上

以風力發電的形式運輸。

httpwind.erl.itri.org.twwind.html

風能轉換因風力做功而提供給人類的一種可利用的能量。風具

有的動能稱風能。風速越高，動能越大。人們可以用 風車把風的動能轉化為旋轉的動作去推動發電機，以 產生電力。方法是透過傳動軸，將轉子(由以空氣動

力推動的扇葉組成)的旋轉動力傳送至發電機。

httpwww.boost-energy.comhttpwww.solar-i.comw

風能利用風車轉動將能量直接轉移至磨麥機、紡織機、空

調機、製冰機或發電機‧‧‧

。

httpzh.wikipedia.orgwhttpwind.erl.itri.org.tw

德國的環保科學園範例

2006/07/12賴芬蘭

魯爾區的太陽科學園 Wissenschaftspark Gelsenkirchen

Gelsenkirchen科學園區內40家企業都在做 什麼?

• 太陽光下的新鮮事• 建築• 生態旅遊• 服務業

魯爾工業區轉型的縮影

魯爾區煤礦的過去與現在

從黑色到多彩多姿的魯爾區

魯爾區的基礎資料

• 歐洲最大的工業區• 面積:4400平方公里• 人口:540萬• 行政:由北威州(Nordreihnwestfalen)中部11 個直轄市和4個縣級市總計54個鎮,組成”魯爾

區城市聯盟”

魯爾區的輝煌過去

• 傳統產業:煤碳,鋼鐵,能源• 輝煌的過去:Krupp家族的鋼鐵神話,第一次戰

後魯爾煤炭帶來第一次經濟起飛,二次戰後經 濟重建與振興使魯爾區成為德國最重要的工業

基地• 鋼鐵產量佔全國70%• 煤碳產量佔全國80%• 經濟總量佔德國內生產總值1/3

魯爾區10年煤鐵業危機

• 60年代全球產業革命• 全球煤炭產量迅速增長,• 石油,天然氣廣泛使用• 魯爾區礦藏量下降致開採成本日益昂貴• 環保壓力加大• 以重型機械為基礎的工業經濟結構弊端• 煤礦關閉• 冶煉廠停產• 大量工人失業

30年內魯爾區翻天覆地轉型期

• 經濟• 政治• 科技• 文化

60年代主要措施

• 制訂調整產業結構指導方案• 提供優惠政策及財務補貼給傳統產業• 大量投資改善當地交通基礎設施• 建立高校(工業大學)和研究機構• 整治土地

70年代主要措施

• 繼續加大60年代改善基礎設施和冶礦工業使 臻現代化

• 重點通過提供經濟和技術方面的援助• 逐步在當地發展新興產業• 掌握結構調整

80年代至今

• 聯邦政府支持魯爾區內不同地區充分發揮區域 優勢

• 各具特色的優勢行業• 產業結構多樣化

轉型結果

• 1957年140座煤礦• 煤礦工人47萬人• 鋼鐵廠26座• 從業人員30萬人• 煤鋼鐵工業為主

• 現在7座• 少於4萬人• 不到4座• 少於5萬人• 服務業及其他新興產

業吸引了64%的從業 人員達95萬人

• 保留少數傳統產業,轉 變成更多資訊科技,生 物科技等新經濟

從煤鐵中心到新經濟區帶來的好處

• 提昇產業結構• 創造就業機會• 增強競爭活力• 優化發展環境

認識魯爾區多樣的風貌

原來的煤鐵舊設備成為休閒區

創意十足的重工業區轉型

煤鋼鐵啤酒科技與文化

魯爾區轉型成功的經驗

• 發揮政府主導作用,協調聯邦,州,市三級政府共同參與 改造

• 改善傳統產業,完善基礎設施• 吸引資金及技術大力扶植新興產業• 因地制宜實現產業結構多樣化• 社會保障• 在轉型中積極創造就業機會• 扶持創意及彈性十足的中小企業• 改善環境的質量

傳統化石能源成為今日的乾淨能源

太陽能展覽

• 從2004年十一月起，在科學園持續展出關於 太陽能技術

• 由德國Shell太陽能有限公司提供展品，大部 分免費參觀

• 在太陽能展廳您將瞭解到如何將沙子變為一個 用來生產太陽能的現成設備。

• 去探索太陽能電池的奧秘，追蹤其生產的道 路，自己去組裝成套的太陽能發電站。

參觀者很快就可以了解能源生產

科學園不只為了生產太陽能電池

魯爾區的能源研究計畫

1996年在Gelsenkirchen科學園的房頂上建立了迄今 最大的建在房頂的光電壓設備，其峰值功率為210千 瓦。其中展示了用於建築行業的大型的雙面玻璃的

模組• 總投資達3百萬歐元。該專案在資金上得到了歐洲共

同體，北萊因-威斯特法倫州和RWE能源股份公司的 支助。

• 太陽能發電站滿足了該建築物電量需求的三分之 一，它是Gelsenkirchen太陽光城設施的計畫中的重

要的一部分。

多采多姿魯爾能源計畫目的

• 加強該區域的能源研究• 在研究聯合的範圍內進行內容上和研究所之間

的聯網• 在革新能源的所有領域建立一個國際上具有競

爭能力的權威中心

項目1：幻景能源2020

• 對可持續，經濟和技術上可行的能源提供系統研究方案的設計和研究，例如

• – 已有系統的最佳化• – 最佳的綜合體：中央/去集中分散和化石/再生的”tri-generation“

計畫主持Prof. Dr.-Ing. Klaus GörnerUniversität Essen Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik Leimkugelstraße 10 D-45141 Essen E-Mail: klaus.goerner@uni-essen.de

主要項目II：低二氧化碳的發電廠

• 技術可能性的科學評估，實現燃化石原料，低 二氧化碳發電廠

• 研究空缺和發展必要性的鑒定• 低二氧化碳發電廠核心系統和組成部分的繼續

發展的文獻• 作選擇“無排放發電廠“作為保護氣候措施的經

濟評估

項目III：風能利用地可能性和限度

• •評估風作為能源源的利用可能性• 風能設備併入供電網技術的研究和改善• 研究電網中佔有很大一部分風能發電的必要的

經濟和技術上的措施

項目IV：資訊科技經濟的能源供應

• 能源市場-和電網管理• Asset管理• 分散的能源管理• 模擬和仿真

魯爾波鴻大學是能源研究鏈結之

未來能源部分

• Gelsenkirchen科學園是魯爾區轉型成現代能源區的象徵• 目的性的把企業,研究機構聚集在園區內,共同支持發展新能源科技,並且市

場化.• 接下大量國內外的計畫項目2006年特別投入中國市場• 主要的企業• BBB BBB Umwelttechnik GmbH • ef.ruhr Energieforschung Ruhr • Graw - Das Planungsbuero• Landesinitiative Zukunftsenergien NRW c/o ee energy engineers • INAP Institut fuer Angewandte Photovoltaik• Solarpunkt• 未來能源的計畫團隊

資訊科技

• 約100位 IT專家在園區內工作,從1995年開始就積極進行"在園 區內工作"的企畫,

• 在High-Tech-營運中如魚得水且深具前瞻性.收入也非常好• 園區內的IT企業• cryptovision• Itasca • Golden Apple • SYHAG • ToZ• TrioBit• networker-nrw-emscher-lippe

健康經濟部份

園區內的健康經濟公司• BPC • IAT Institut Arbeit und Technik im 北萊因州科學中

心的工作與科技研究機構• KCR Konkret Consult Ruhr GmbH魯爾具體顧問公

司• 子女希求therapie: Dr. med. Ute Czeromin,

Frauenärztin, Frau Dr. Ina Walter-Göbel. • 德國退休保險人的醫師評鑑公司Westfalen• SWZ Sozial- und Seniorenwirtschaftszentrum

歐盟計劃項目

• 魯爾能源--德國聯邦--歐盟經驗傳遞2003~2006• 歐盟及北萊因州資助• 國際RECORE-Projekt (Regenerating Europe’s Coalfield

Regions)• 跨區 IIIC-Projekt• 由 RECORE透過„歐洲礦區行動聯盟“ (EUROCOM)提案

園區內的活動

• 國際會議• 研習會• 國內外參觀• 藝術文化音樂活動

參觀者可以看到什麼?

• SolarExpo• 多媒體介紹太陽能從沙子開始的形成過程• 直接進入工廠與實驗室• 各種不同新能能源的詳盡介紹• 園區的生態旅遊• 定期各種展覽• 種種園區的活動• 無論初學者或專家都提供項目

Osnabruecke的環保科學中心

C.U.T.環境與科技中心

科學園區的帶動

生質能也是太陽能

謝謝!

固態氧化物燃料電池(SOFC)原理與檢測課程大鋼前言潔淨能源綠色能源優勢燃料電池科技的前瞻與創新性投影片編號 7燃料電池種類投影片編號 9何謂燃料電池？投影片編號 11燃料電池基本原理目前發展主要種類固態氧化物燃料電池簡介投影片編號 15SOFC之優點SOFC之優點SOFC之優點ZTEK's Solid Oxide Fuel Cell Gas Turbine System: For Power Generation SOFC之缺點SOFC之組成與特性Electrolyte Tape電解質(Electrolyte)之特性SOFC燃料電池的電解質層對導電率以及操作溫度的影響 投影片編號 25Voltage V.S Temperature電解質厚度 V.S 阻力YSZ薄膜製造技術YSZ薄膜製造技術陽極板(Anode)投影片編號 31陰極(Cathode)SOFC之種類投影片編號 34Single cell圓管式SOFC之發電系統投影片編號 37平板式SOFC之發電系統投影片編號 39投影片編號 40Electrolyte supported V.S Anode supported平板式SOFC公司之產品和發展情況 投影片編號 43投影片編號 44其它應用投影片編號 46First vehicle (BMW 750iL) with gasoline fuel cell APU (SOFC) 應用燃料電池於其中的各式產品投影片編號 49投影片編號 50投影片編號 51未來電池的誕生 投影片編號 53投影片編號 54投影片編號 55投影片編號 56投影片編號 57投影片編號 58可攜式燃料電池應用家用固定式燃料電池應用SOFC大型發電機燃料電池參考網站Laser ultrasound technique for the characterization of CVD/Diamond filmsOutline�CVD diamond film (CVDDF)�Properties of CVDDF�Applications of CVDDF�Researches on CVDDFNano-indentation�Bulge test�Tensile test�Acoustic microscopy�Atomic force acoustic microscopy�Laser-SAW technique�Background (cont.)�Background�LUT on CVDDF�Laser SAW�Narrow band technique�TOFA (Time of First Arrival) �Leaky Lamb wave�Ultrasound-based material characterization(1)Ultrasound-based material characterization(2)Ultrasound-based material characterization(3)Ultrasound-based material characterization(4)Objective�Methodology�Theoretical ModelsIsotropic single layer �投影片編號 90投影片編號 91Isotropic-u2�投影片編號 93投影片編號 94Dispersion curves�Anisotropic single layer� (Cubic Silicon)投影片編號 97投影片編號 98Dispersion curves�Isotropic film on anisotropic substrate (CVDDF on silicon)Dispersion curves�Experimental MethodSpecimen preparation�Instrumentations�Generation of ultrasound in LUTKnife-edge technique�Experimental setup�B-scan�Signal processing�Inversion Method�Simplex Method�Objective function�Objective function�Simplex convergence criteria�Fitting experimental dispersion curves�Results and Discussions�Single Isotropic layerSingle Isotropic layer�Measurement data投影片編號 120投影片編號 121Parameter sensitivities on dispersions投影片編號 123投影片編號 124投影片編號 125Simplex convergence tests�投影片編號 127投影片編號 128投影片編號 129Inversely calculated propertiesCommentsSingle Anisotropic Layer�Single anisotropic layer投影片編號 134投影片編號 135投影片編號 136投影片編號 137Parameter sensitivities on dispersions投影片編號 139投影片編號 140投影片編號 141投影片編號 142投影片編號 143Simplex convergence tests投影片編號 145投影片編號 146投影片編號 147Inversely calculated properties for Silicon WafersCVDDF on Silicon substrate�CVDDF on Silicon substrate�Measurement data for t= 3mm投影片編號 152投影片編號 153投影片編號 154投影片編號 155投影片編號 156Simplex convergence tests �投影片編號 158Inversely calculated properties(1)�Inversely calculated properties(2)�Inversely calculated properties(3)�Comments�Conclusions: (1/3)Conclusions (2/3)Conclusions (3/3)Thank for your attention投影片編號 167投影片編號 168投影片編號 169所有的能源Energy不使地球溫室效應惡化的能源 �不虞匱乏的能源生生不息的生質能源 生質能優 點缺 點�來源環境與經濟之衝擊太陽光電知多少 太陽光電科技中心研究領域�相關網站 聯絡窗口�核能產生 核能運輸核能轉換核能利用生質能產生 生質能運輸生質能轉換生質能利用風能產生 風能運輸風能轉換風能利用德國的環保科學園範例魯爾區的太陽科學園�Wissenschaftspark Gelsenkirchen Gelsenkirchen科學園區內40家企業都在做什麼?魯爾工業區轉型的縮影投影片編號 200魯爾區煤礦的過去與現在從黑色到多彩多姿的魯爾區魯爾區的基礎資料魯爾區的輝煌過去魯爾區10年煤鐵業危機30年內魯爾區翻天覆地轉型期60年代主要措施70年代主要措施80年代至今轉型結果從煤鐵中心到新經濟區帶來的好處認識魯爾區多樣的風貌原來的煤鐵舊設備成為休閒區創意十足的重工業區轉型�煤鋼鐵啤酒科技與文化魯爾區轉型成功的經驗傳統化石能源成為今日的乾淨能源太陽能展覽參觀者很快就可以了解能源生產�科學園不只為了生產太陽能電池魯爾區的能源研究計畫多采多姿魯爾能源計畫目的項目1：幻景能源2020主要項目II：低二氧化碳的發電廠項目III：風能利用地可能性和限度項目IV：資訊科技經濟的能源供應魯爾波鴻大學是能源研究鏈結之ㄧ��未來能源部分資訊科技健康經濟部份歐盟計劃項目園區內的活動參觀者可以看到什麼?Osnabruecke的環保科學中心C.U.T.環境與科技中心科學園區的帶動生質能也是太陽能謝謝!