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海洋能源：海流變電流

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柯永澤｜海洋大學船舶系統工程學系教授

海洋能源

隨著全球能源日漸昂貴，以及溫室氣體排放急升造成嚴重的氣候異常問題，人們開始尋找各種再生能源。和流體機械相關的，不外風力、水力和海流，其中海流又有各種不同的形式，如洋流、潮汐流等。

臺灣東部是北太平洋暖流（黑潮）主流通過的地方，水表流速較快的大約在1.0 ～ 1.2 m／s，水越深，流速愈減；主流寬約數十公里，水深從幾百公尺至幾千公尺不等，一般主流深度約上千公尺。唐存勇教授所領導的團隊，最近在綠島西北方找到一個小區域，平均流速可高達1.45 m／s。

基隆北部和基隆嶼之間有所謂的基隆海檻，海檻是海底突然升高，但並未露出水面的部分。漲退潮時，海流流至海檻處會加速，依據海洋大學蔡政翰教授所量得的結果，最高流速可達2.6 m／s，一般平均則在1.0 ～ 1.1 m／s之間。

全世界海流最強的在加拿大新斯科舍（Nova Scotia）省的芬地（Fundy）灣，是潮汐造成的，最高流速超過5 m／s。

水平軸流式海流發電

海流發電機的型式有很多種，有直立式、橫式或軸流式。若不考慮安裝的方便性，像大型風力發電的水平軸流式葉輪發電機的效率是最好的，原因是每個葉片都處於面流的最佳狀況，而且是以升力來驅動葉輪。學流體機械的人都了解，升力通常是阻力的幾十倍，因此利用升力作功，能量轉換最有效。

水平軸流式葉輪的作動原理恰好和螺槳相反。螺槳是吸收軸提供的轉矩Q，在特定的前進入流速度V_A下，以旋轉螺槳葉片產生正升力L；升力和葉片表面阻力F_V的合成，產生沿螺槳前進的方向的推力T，並克服螺槳因旋轉所需的轉矩，達到平衡的轉速ω。螺槳產生的軸向誘導速度u_a和前進入流V_A同向，可知螺槳是加速流體以產生推力。

葉輪則是由入流速度V_A驅動葉片旋轉，使葉片產生負升力L，再由升力和葉片表面阻力F_V的合成，在葉輪旋轉方向產生轉矩Q。轉矩的旋轉方向和螺槳相反，這時葉輪的推力為負，即和入流V_A方向相同。葉片拱高的方向剛好和螺槳相反，同時葉輪的軸向誘導速度u_a和入流V_A反向，可知葉輪作功後，軸向流速是下降的，即入流的動能被葉輪回收。

海洋發電的關鍵因子

海流發電和風力發電相同，產生的電功率 P 可以表示如下：

　　P ＝ 1/2ρ．V³．A C_p

式中ρ是水的密度，V是海流進入葉輪前的速度，而A是葉輪的圓盤面積，即（π／4）D²，D是葉輪直徑。

由上可知，海流發電的關鍵因子是海流的速度，因發電量和這因子成三次方關係，這也代表回收功率密度（power density）和這因子成三次方關係。其次是葉輪直徑，這因子和發電量成二次方關係。然而要靠增加直徑來提高回收功率，得付出很高的成本，因為這因子會影響系統結構的尺度。

另外，C_P是轉換功率係數，即轉換效率。一般軸流式葉輪的轉換功率係數約在0.42 ～ 0.45之間，若考慮到軸系、齒輪和發電機的損失，它的值大約只有0.35。

有人可能會問為什麼發電功率是和流速成三次方的關係？理由很簡單，依據柏努力定律，壓力是和流速平方成正比，而壓力乘以面積A就是力量，力量再乘以速度就是功率，因此是和流速成三次方的關係，這是流體機械共同的特性。

水的密度大約是空氣的800倍，因此在相同直徑下，若風力發電的流速是海流的9.3倍，則兩者所發的電力大約相同。我國可能開發的海域平均流速約為1.1 m／s，因此大約相當於10 m／s的風速。而一般的大型風力發電機的設計風速大約在12 m／s左右，也就是風場的流速若可以持續維持在12 m／s左右，則它可發的電力會略高於海流發電。但臺灣不處於信風帶，因此有很大部分的時間低於這速度；而且每年發生颱風的機率很高，常造成風機的破壞。這就是海流發電可被考慮的優勢，因為較為穩定，尤其是洋流。

然而海流發電也有需要克服的困難。第一，臺灣地區颱風多，因此雖然水表面附近流速較快，機組不能長期安裝在靠近水表面的地方，以免被大浪破壞。這系統在水深的方向必須可以調整，即平常機組處於水表面，但遇颱風可以沉至較深的位置。這不難辦到，只需有足夠系統預留浮力做調整即可。

第二，系統既然需要沉入水中，就有水密的問題。這問題在陸地上是不須面對的，而要克服水密的問題傳統上要付出很高的代價，因此必須發展經濟有效的方式才有可能。

第三，海事工程較陸上工程複雜且花費高很多，因此機組構件必須簡單可靠，使維修降至最低。另外若針對黑潮，還有一個非常嚴重的問題，即黑潮的水深很深，要如何固定安裝？深海鑽油平臺有張力腳（tension leg）的安裝方式，費用很高，但因為開發石油的產值很高，是可以負擔的。可是海流發電回收不高，必須找到經濟有效的方式，否則就不可行。

有效提高海流發電量

由於功率密度的高低決定系統是否具開發經濟價值，因此如何提高進入葉輪的速度，或如何找到高流速區域，是關鍵所在。擴散型導罩能夠有效增加進入葉輪的流速，是流體機械專家所周知的。擴散型導罩可以使它前面更大範圍的流體進入導罩之內，使葉輪處的流速增加。而這裡的流速增加，其實一方面是葉輪前方流體的靜壓轉成動壓而來，這也是柏努力定律所產生的現象，使葉輪處的動能大幅提高。而推動葉輪的動能愈大，葉輪回收的功率就愈高。

流速增加的量又和導罩出口面積有關，出口面積愈大，若是非黏性流體，理論上在葉輪處流速增加愈多。但實際上流體有黏性，即流體和導罩表面會形成邊界層流。當流體流經擴散型導罩葉輪後，流速會因為擴散管的作用而大幅下降，依柏努力定律，這會使導罩內緣靜壓大幅上升，造成所謂受逆壓梯度作用。也就是流體愈往下游走壓力愈大，邊界層厚度會快速成長，使導罩的功能下降。

因此若出口太大，反而會使導罩內部產生流離（separation）的現象，而限制導罩的加速功能。為克服這問題，有研究學者在導罩尾段加開口，以增加邊界層動量，避免流離現象的出現。

然而加裝導罩的做法，對於安裝在容易受極端天氣（如颱風）影響的淺水區時，導罩受力會遠大於葉輪，難以倖存，除非這導罩是自然地形所形成的。若能安裝在較深的水域，則影響有限。我國東臨黑潮，可以利用大型導罩，一方面增加進入葉輪的流速，另一方面可以利用它產生浮力，達到控制機組操作於不同水深的目的。

克服水密與簡化系統

傳統的海流發電和風力發電類似，即由葉輪回收流體動能，產生轉矩轉動葉輪，再帶動發電機。然而葉輪一般的轉速很低，由理論計算的結果，葉輪愈大轉速愈低，而轉速低切割磁力線慢，就需要很大的磁鐵，即發電機的尺寸會很大。為了降低發電機的尺寸，通常發電機須加裝加速齒輪，然而這複雜系統整組泡在水裡，它的水密問題就變得很嚴重。

為了避開水密的難題以及降低系統的複雜度，愛爾蘭公司Open Hydro把海流發電系統的轉子的磁鐵直接裝在葉輪的外圍，而在轉子的外面再安裝一圈永磁性磁鐵當做定子。當葉輪回收海流動能後，轉動轉子磁鐵切割磁力線而發電，電流由定子端輸出。由於磁鐵所產生的磁場強度在水中和空氣中相差很小，且磁鐵可以直接泡在水中，只要做適當的腐蝕防護及電輸出的水密即可。電輸出部分的機構是靜態的，水密問題就變得很簡單。

因此，若結合Open Hydro系統簡單化的優點以及擴散型導罩，可以大幅提高發電功率和利用它產生預留浮力，控制發電系統在不同水深下操作，以避開颱風的破壞。若再能找到經濟有效固定發電機組在深海中發電的方法，則利用黑潮發電或許不是夢。目前海洋大學系統工程暨造船學系已完成潮流發電機的初步測試，未來亦將往黑潮發電方向前進，期望能順利發展。

資料來源

《科學發展》2012年3月，471期，20 ~ 25頁

發電(28) 黑潮(23) 再生能源(106) 科發月刊(5221)

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