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海洋能源:海洋能測試中心

101/03/03 瀏覽次數 22977
稀少但關鍵的機構

在日常生活中,我們所使用的產品都是經過認證的,而且與我們關係愈密切的,就愈在乎其品質是否由大眾能接受且具公信力的單位所保證。

例如,由政府推動的優良食品認證標記GMP,以及針對冷凍豬、雞、鴨肉優良肉品的認證標記CAS,都是可使消費者安心、安全、健康地享受優良食品的認證。另在電器材料上,也常看見產品上印有不同的認證標記,例如由美國UL公司所認證的UL標誌,或歐盟國家所認可的CE標記等。

同樣地,擷取海洋能源所使用的設備,也應該經過認可的標準程序,以獲得產品認證,這也是生產者與使用者都需要的保證。

海洋能,不論是波浪能、潮流能、海流能、溫差能等,都屬再生能源。雖然這些能源一直存在於海洋環境中,但把它汲取出來供人類使用,卻因為效率太低或成本過高,至今一直沒有具體的發展。然而在20世紀末期,許多國家預見到化石能源將有消耗殆盡的一天,也經歷了數次油價高漲的威脅,便紛紛投入各類再生能源的研發。

海洋能源的發展雖較落後,但在波浪與潮流的能量轉換技術上,從本世紀開始逐漸有現場實尺度的設備出現,並進行深入的測試工作。英國對於海洋能的研發成就首屈一指,且已預見產品認證的重要性。因此,即使這些新興且未完全成熟的產業所製造的產品,尚無公認的標準程序可用來認證,英國政府仍然與民間電力公司合作,在蘇格蘭北方海域的Orkney島設置了歐洲海洋能源中心(European Marine Energy Center, EMEC),提供業界進行系統或元件的測試與認證。

EMEC是全世界第一個被歐盟認可的測試中心,從業務量的逐漸蓬勃發展,愈來愈多創新的海洋能源轉換系統進駐該中心以進行測試,就可明白測試中心的認證對產品的商業利益有多麼大的影響!

臺灣目前在海洋能的技術研發方面雖仍屬草創,但考量世界能源危機將持續惡化,四面環海的臺灣實在需要深耕屬於再生能源的海洋能技術,並建立相關的產業。如此一來,不僅能減少碳排放量以減緩全球暖化,對保護地球環境貢獻一份心力,也可藉由提升技術促進相關產業的發展,以在鄰近國家扮演重要的經濟活動的角色。因此,海洋能測試中心可說是不可或缺的選項。

海洋能測試中心究竟是怎樣的機構?需要哪些設施?臺灣若要發展自己的海洋能測試場,又需要怎樣的資格條件?以下介紹EMEC的設施與運作方法,再據以整理出一個好的測試中心需要的條件,以做為臺灣規劃的參考。

EMEC

EMEC是為了提供波能與潮汐能兩類海洋能開發者進行性能評估而設置的測試機構,該單位位於英國蘇格蘭北方的Orkney群島上,包括一個行政和資料中心,一個實海域波能測試場,以及一個實海域潮汐能測試場。

雖然有關單位於2001年才公告Orkney是該中心的落腳處,但早在1992~1995年,英國就已在Orkney幾處島嶼進行環境影響評估,最後分別於2003年與2005年正式建置波能與潮汐能實海域測試場。

Orkney島被選中的原因,是因其周圍海域有極佳的波浪條件、極強的潮流、完善的電網聯結、受到屏障的港埠設施,以及關切再生能源與環境議題的優質社區。同樣重要的是,Orkney在過去長達千年一直扮演著北大西洋貿易與交通的樞紐,因而發展出許多世界級的商業、工程、海事及專業的服務能力。由於上述因素,EMEC得以提供電力聯結及英國認證服務組織(the United Kingdom Accreditation Service, UKAS)承認的測試場給研發波能與潮汐能發電設施的客戶。

在實海域測試場方面,EMEC目前擁有最深50公尺處的波能測試錨錠席位,與12公尺至45公尺水深處的潮汐能測試錨錠席位,且所有席位都有電纜連結,並有即時的環境監測感應器與傳輸設施,測試場附近都有可供遮蔽的海灣或港口。此外,尚有行政和資料以及當地研究與工程單位的支援。

細部的規格尚包括11 KV的海洋電力控制站、測試機具發電的電表、資料控制與擷取系統(system control and data aequisition, SCADA)、含光纖資料傳輸纜線、測試席位的監控閉路電視、資料完全保密措施等。

測試場的資格條件

從EMEC的介紹,可知測試場對相關科技發展的重要性。然而臺灣是否需要設置自己的測試場?如果臺灣要發展海洋能源科技,這個問題的答案顯然是「肯定」的,因為測試場本身就是產品技術開發的重要輔助設施。

既然測試場扮演如此重要的角色,其所能提供的服務也是以適合在臺灣發展的重點項目為對象。以目前的發展趨勢而言,可歸納成波浪、潮流與海流。

從工程角度來看,潮流的水深較淺且分布區域較廣,海流的水較深但分布較集中。因此,海洋能測試場的場址選擇就該針對這兩個因素綜合考量。此外,EMEC的發展經驗也指出測試場的選定尚有其他的條件。綜合而言,可歸納成具代表性的海象條件,完整的海域地貌與水文資料、高品質的即時監控資料傳輸、適當的電力纜線鋪設、完善的測試平臺結構、充足的專業人力、完備的作業船舶及基地,以及便利的交通設施等8個條件。

代表性的海象條件 一般而言,波浪能主要是與波浪的波高平方及周期成正比,潮流與海流能則與流速的三次方成正比。據此,波高越大及周期越長可獲得越大的波能,潮汐越高引致的潮流速度也越大。除此之外,不能以短暫時間的測試結果評估其潛能,而須以經年的變化當作開發的參考。

因而,海洋能測試工作必須設置在具有代表性波浪、潮流及海流條件的海域,以利系統性能的正確評估。再者,臺灣的海域環境除了提供海洋能量的來源外,也有威脅海域中轉換系統的每年約3.5次的颱風級的大作用波力與水位,因而針對安全性考量,測試海域必須能反映這異常的颱風作用條件。

完整的海域地貌與水文資料 海域地貌如同陸地的地形變化,因此等深線分布也等同於地圖所見的等高線分布。波浪或潮流在海域中的運動,會受到地形的影響而有不等的分布。一般而言,測試機具大都會考慮設置在高程變化較平緩的位置。因此,測試場內及附近的地貌條件必須有完整的資料,才能有利於測試工作的順利進行。

此外,測試區域的水文條件,包括溫度(氣溫或海溫)、風速、氣壓、潮位、波浪等,也必須有長期的歷史資料及即時的量測資料,才能評估測試區域的能量潛勢,做為測試評估的依據。

高品質的即時監控資料傳輸 海域中測試的資料能即時傳回陸地上的工作站,對於測試工作的監控管理是非常重要的。即時傳回的資料不僅可以立即判斷測試系統的性能,也可即時診斷出系統可能發生的故障。監控資料如同醫院對病人的監控儀器,可提供許多重要的訊息,因此品質的優劣會影響對問題的正確診斷或系統的表現。

即時傳輸的工作可以透過纜線或無線的方式進行,前者可能受制於施工費用,會因測試地點距離陸地太遠而增加,後者則可能因技術上的限制,而無法做長距離或惡劣天氣中的運作。現今因無線傳輸技術的進步,高品質的資料傳輸可不受海底地形、地質條件或海象條件影響,預期會愈來愈常見。

適當的電力纜線鋪設 海洋能量轉換成機械能後就可做功,在其他儲能技術尚未成熟之前,把機械能轉換成電力是目前的技術主流,因而測試場提供的服務,就必須能針對受測的發電系統所產生的電力加以監控、管理,最直接的做法就是把電纜線從陸地鋪設至測試系統。但電纜線在海上的鋪設施工不同於陸上,困難度更大。此外,面對海洋的環境,電纜線的材質與規格也與陸上使用的不同。一旦測試場鋪設了電纜線,海洋能發電系統的設計發電量就可獲得確實的證明。

完善的測試平臺結構 測試場的測試工作必須設置在完整的平臺上,包括電纜線連接、監控訊號纜線及偵測感應器連結與附掛,以及錨錠穩固的基座供測試儀器安裝。有完整的測試平臺,才能吸引客戶,尤其測試工作往往長達數個月,如果需要客戶自行規劃測試平臺的測試與施工,會降低客戶的使用意願。反之,若測試平臺完善,則因技術發展的時程縮短,產品得以快速獲得認證,會對廠商產生很大的吸引力。

充足的專業人力 人力資源也是海洋能測試場發展成功與否的關鍵因素。測試工作需要專業的人力,不僅在測試工作的預備與後續的施工階段,在緊急搶修或定期維護以及監控與資料分析時期,更是重要。人力不僅要充足,更需具備成熟的專業素養。但由於專業人力的培養需要較長的時日,海洋能測試場的專業需求又相當獨特,因此若能擁有充足的專業人力,將使測試工作的品質獲得更直接的保障。

完備的作業船舶及基地 海洋能測試場的工作大都在海上,而且要進行測試認證的系統設備的尺寸及重量都相當大,加上因不同的設計理念,系統的外觀也不統一,因此作業的船舶不僅是必要的,而且要有特別的設計才能適合不同的需要。

再者,作業船舶必須有停泊的港埠設施,且須位於鄰近區域以利作業的時效需求。此外,作業基地也是系統設備進行作業前後預備及整理的場所,若作業基地配置有完備的輔助設備,將可提高測試工作成功的可能性。

便利的交通設施 海洋能測試場必須位於交通便利的區域,交通設施可以包括陸上與海上的交通,尤其要有能容納巨大設備出入的道路與航道。唯有讓設備可以快速且便利地運輸,測試場才能容納更多的待測系統設備。

考量波能、潮流及海流能的共同測試中心所需滿足的條件,臺灣地區目前適當的地方不多。若僅考慮波能需求,最好場所位於東北海岸、花東海岸、外海,或在海峽中北部離島的海域。但若從潮流及海流能需求角度考量,則以臺灣海峽內及花東外海為優。這兩者的交集,大致是在臺灣本島東北海岸與臺灣海峽北部的離島地區。若再加上其他條件的考慮,則以臺灣本島東北海岸為佳,然而確實場址的選擇仍需進行客觀的可行性研究。

且不論座落何處,海洋能的產業發展都需要有一個被認可,能進行公平認證的標準局。這樣的標準局就是海洋能測試中心,它扮演著非常關鍵的角色,不只提供服務給臺灣的產業,也可服務鄰近地區的國家,成為區域的國際中心。
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