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新型深海洋流發電廠和系統

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呂錫民｜臺灣大學能源研究中心

傳統熱能發電廠所使用的燃料，例如煤炭、石油、天然氣或鈾，在發電時，大量排放溫室氣體或產生輻射性廢料，造成的溫室效應與核安問題，引起全球氣候極端變化與環境汙染而受到環保團體抗議。因此，開發潔淨低碳能源的風潮日益興起，例如太陽能、風力、地熱、海洋能等再生能源。再生能源是一種不排放溫室氣體，不造成環境汙染，取之不盡、用之不竭的永續能源。

臺灣缺乏傳統能源，每年要支付近2兆元新臺幣向國外購買，相較之下中央政府總預算只不過1.7兆臺幣，形成國家沉重負擔。長期大量使用化石能源的結果，造成人均CO₂排放高達12公噸∕年，名列全球前茅。為了能源安全、經濟發展與環境保護，亟需開發自有的再生能源，尤其是東部海域的洋流發電。東部海域的洋流強勁而穩定，預估發電潛力是臺灣目前電力裝載容量的一半，是全球獨一無二的優質深海洋流發電場址。

深海洋流發電廠的特色

臺灣東部海域很深，熟悉的固定在海床上的淺海海流發電機無法適用。創新方法是利用在水面下100公尺左右的浮動平臺，拉牽20～30臺渦輪發電機，在海面下30公尺處吸收海流能量驅動發電機發電。浮動平臺則以纜線錨定在500公尺深的海床上，可適應常年高風大浪而且地震頻繁的惡劣環境。

20～30臺渦輪機形成一群組，所發的電集中至平臺上的變壓設備，經過變頻之後由電纜送至陸域，可直接併聯供電。電纜鋪設在一個接一個的平臺上，因此不需海底鋪設工程。在最佳組合下，渦輪群組與浮動平臺協調運動被控制在安全範圍內，使不影響魚群活動。

與熟悉的技藝比較，這新型深海洋流發電廠具有下列優點與特色：

（1）渦輪機布放在海面下30公尺處，可避開颱風浪高10公尺的影響；（2）以多點錨錠配合浮動平臺設計，可降低地震引起的坍方、滑移對錨錠系統的影響；（3）機器在海面下30公尺，不與海面接觸，氧化程度大為降低，設備的腐蝕問題容易解決；（4）機器在海面下30公尺，陽光很弱，除極少數大型海生哺乳類外，少有生物活躍其中，不易產生生物附著的問題；（5）渦輪機布放在海面下30公尺處，其間的浮游生物與魚群都少，對大型海生哺乳類如海豚則可用聲納驅離，因此對海底生態的影響只有在施工時存在，完工後復原快。

深海洋流發電廠的結構

深海洋流發電廠應用在水深40公尺以上的海域，例如臺灣東部的黑潮海域。這裝置能吸收該海域因自然因素所產生的海流動能而發電，主要是由下列主件所構成：渦輪發電機群組、浮動平臺、上方錨錠系統、下方錨錠系統、輸電電纜。

渦輪發電機群組是由數個渦輪機與發電機所構成，而以水平軸式渦輪發電機較佳。為配合臺灣黑潮的流動特性，每一渦輪發電機的切入平均速度最好是1 m∕s，並藉由上方錨錠系統的錨固作用，依海流方向轉動葉片的迎面，隨時與水流保持垂直。渦輪機的軸心布設深度最好在海面下30公尺或更深。錨固在浮動平臺上方的渦輪發電機組數目最好是20～30臺。渦輪機機身結構並不複雜，基本上可由三至五片葉片所組成，為增加效率可考慮加上外殼。

除軸承、支架等主要受力結構需考慮由特殊合金製造外，其他部分都可考慮由複合材料做成。發電機要適合低轉速、高扭力，因此應有半徑小、轉軸長的特色。渦輪發電機群組長年布放在海面下百公尺處，雖受到氧化腐蝕的機會比淺海渦輪機或發電機小，但深海中的生物附著還是可能發生。以往防止生物附著的塗料多少具有毒性，大都被環保法令所禁止，因此需要開發新款環保塗料。另外，某些金屬部分可能需要電鍍或潤滑。

浮動平臺是由數百支空心浮筒或實心連桿以球型接頭連接而成，可隨海流作用而變形，其上裝設一電力轉換設備。空心浮筒或實心連桿可由複合材料或塑鋼材製成。浮動平臺的位置最好在海面下100 m左右，整體面積約200 m × 500 m。浮動平臺藉由下方錨錠系統，以數十或數百根錨鍊固定在500 m深的海床上，每根錨鍊所錨錠的地點不需要事先確定，但錨鍊所走的方向要考慮水流的方向，使整個浮動平臺在水流強力作用下，不會有明顯的位移或大幅的變形。

上方錨錠系統是把渦輪發電機群組錨錠在浮動平臺的上方，下方錨錠系統則是把浮動平臺錨錠在海床上。上方錨錠系統與下方錨錠系統所使用的錨鍊，是由質輕且強度大的複合材料或高分子塑材所製成，以減輕重量並具防腐蝕功能，外形則可製成毛狀，減少海流引起的低頻搖擺或高頻振動。

深海洋流發電系統的運作

深海洋流發電系統是由上述深海洋流發電廠所構成，系統的發電送電運作方式如下。

電纜把渦輪發電機群組所發的電輸送到浮動平臺的電力轉換設備上，進行變壓與調頻。電纜掛在浮動平臺上，再銜接至另一浮動平臺，這樣一組一組地串接至陸地，而不需降至海床上，因此不需再做海床的電纜鋪設工程。電纜攜帶電流抵達陸域變電所變壓後，便可併入電網供電。

資料來源

《科學發展》2013年12月，492期，66 ~ 68頁

洋流(7) 洋流發電(2) 溫室效應(64) 再生能源(106) 科發月刊(5210)

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