海洋能源：波浪與海流發電
101/03/03
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董東璟｜
臺灣海洋大學海洋環境資訊系
蔡政翰｜
臺灣海洋大學海洋環境資訊系
海洋概況
臺灣海岸線總長約1,600公里，每千平方公里國土的平均海岸線長42公里，超過英國的36公里、美國的16公里，在積極探尋新能源的現代，往海裡追尋是必然的趨勢。
臺灣坐落在歐亞板塊東南部的大陸棚邊緣，東側面臨太平洋，以岩岸為主，陡峭的海岸直入海底，往往離岸不到1、2公里海洋深度就達1,000公尺以上，海底坡度達1:10。而世界上主要的洋流之一—黑潮，自南向北流經臺灣東部海域，終年不停。
臺灣西部面臨臺灣海峽，海底坡度平緩，海峽內的平均水深約為100公尺，海岸多是沙岸、潟湖與潮埔地。本島最大潮差發生在臺中、彰化一帶，約有4公尺；在金門海域，潮差更達6公尺以上；而臺灣東部與北部的潮差僅約1公尺左右，並不顯著。
除了本島以外，臺灣附近還有許多島嶼，包含金門、馬祖、澎湖、綠島、蘭嶼等，大都以觀光為主要的經濟活動。若有朝一日要往無碳島的方向規劃，海洋能應是不可或缺的選項之一。
監測與調查
要進行海洋能源開發，首先要了解海洋。要掌握海洋的環境與現象，有數值方法模擬、在實驗室裡做水工模型試驗，以及到海裡實地調查3種途徑。
海洋調查分為現場監測與遙感探測兩種，後者是以飛機或衛星對海洋監測，前者則是直接接觸海洋進行調查，往往需要耗費較多的人力、時間與經費。然而，海洋現場調查所量測的數據是最真實和最正確的，也是校準與驗證數值模擬演算結果所需要的資料，一般從事海洋研究都不能缺少這項工作。
海洋現場調查需要精密的科學儀器，譬如波浪調查採用的資料浮標，就像一座海上的無人氣象站，能透過姿態感測器自動量測海面波動，並回傳至陸上的監控中心。觀測樁與資料浮標的功能類似，但使用的是超音波感測器。資料浮標主要設置在深海，觀測樁則主要設置在近海。這兩種儀器除了量測波浪之外，也可以量測其他海氣象要素。
至於海洋流速的觀測儀器，主要有兩大類。一是旋轉式流速儀，例如旋轉式海流儀，利用海水流動帶動轉子，透過實驗室已經校準過的流速和轉子之間的關係來量測流速。另一是以音波量測流速，海流儀發出音波，由於海水流動帶動水中雜質，從海流儀接收到的雜質回波中，透過都普勒效應計算出流速。這種儀器通常可以分析不同水層的剖面流速，在海洋流速觀測中的應用相當廣泛，一般是安裝在海底向上量測，或安裝在海洋研究船底部向下量測流速變化。目前國內共有3艘海洋研究船進行海洋監測與調查研究，都安裝有這類型的剖面流速儀。
波浪環境
古人云「無風不起浪」，一般而言，波浪是受風吹所產生的，但也不盡然，因為海上沒有風時，偶爾還是會看到波浪，這些波浪事實上是由遠處傳來的。當地受風吹所生成的波浪是「風浪」，遠處傳來的波浪是「湧浪」。我們常以波浪的高度（波高）、一個波峰通過後到下一個波峰抵達的時間（周期），以及波浪傳遞的方向（波向）來描述這個海中巨大的力量。
氣象報導中常聽到「海上波浪達幾級，請航行船隻注意」等訊息，究竟風浪的級數是如何定義的呢？這得從200年前講起。
英國海軍蒲福（Sir Francis Beaufort, 1774-1857）上將在其軍旅期間，詳細記錄了海洋上的風和浪，在1806年把風力分等級，所對應的海況就是所謂的浪級。譬如，3級的風稱為「微風」，對應的浪稱為「小浪」；6級的風是「強風」，對應的浪是「大浪」；9級是「烈風」與「巨浪」；12級則是恐怖的「颶風」與「極巨浪」。但要注意的是，這些對應只講了風浪之間的關係，假使有湧浪存在就不適用了。
對於一般民眾來說，用浪級來描述波浪方便且易懂，但如要評估波浪發電，就需要用波浪數據來分析。波高單位通常是公尺；波浪周期的單位是秒；波向則是度數，以正北為零度，順時針計算，也就是說，波向90度代表的是波浪從東邊傳來。
波浪發電是把海浪動能轉換成電能的過程。波浪發電自1970年代就開始發展，至今已有為數非常多的波浪發電系統在海上運轉，有的是安裝在海面上的浮體式，有的是放在海底的底碇式，或安裝在岸邊的岸基式等波能轉換器。今日大多數的系統都還在測試階段，商業運轉的少之又少，其中以英國海洋電力傳遞公司（Ocean Power Delivery，後更名為Pelamis Wave Power）在葡萄牙海域測試的「海蛇號」（Pelamis）波浪發電裝置最為著名，雖初步測試仍告失敗，但一般相信，不久的將來就會出現商業運轉的波浪發電機。
波浪能是以每單位寬度的波峰蘊藏多少千瓦，即功率密度來表示。波能的大小與波高的平方及周期成正比，波浪的波高和周期與其形成地點的地理位置、風向、風力、海水深度、海床形狀、海床坡度等因素有關，波浪能量的計算則需有實測的波浪資料。目前中央氣象局和水利署在臺灣環島海域設置不少波浪觀測站，觀測時間最長的已約有15年，蒐集包含各季節與颱風期間的資料，已經可以用來粗估波浪發電的潛能。
臺灣周遭的波浪特性與氣候特性相近，受季風影響很大，東西兩岸的波浪特性也有顯著差異。春夏之際非颱風時期，西部臺灣海峽波浪平緩，波高約0.3～2.0公尺，周期約3～7秒，這時東部海岸海況更見平緩，波高約0.2～1.5公尺，周期3～8秒；冬天時，東北季風吹襲，西部海域波高普遍介於0.5～5.0公尺之間，尤其是西北海域（海峽北端）的海況較險惡。東部因地理位置關係，受東北季風影響略小，波高介於0.5～3.5公尺之間。
較特別的是，冬季時的東北角海域如基隆、宜蘭沿海，因受東北季風直接吹襲，5公尺以上波高時有所見，甚至比颱風期間還大。東北角海域整個冬季的平均波高超過2公尺以上，是目前調查出來最佳的波浪發電場所。根據工研院的調查，該處的波浪能功率密度達每平方公尺15～20瓩，一般超過10瓩就已有開發價值，東北角整體波浪能有100 MW級的發電容量潛力。
海流環境
海流大致可分為洋流與潮流。洋流如同海中的河流，其流速與流向較固定。洋流主要成因與地球表面大範圍風系有關，如從緯度30°向赤道吹的東風（信風、貿易風）與從緯度30°往極區吹的西風等，風系不停地吹拂大洋海面，造成海水的流動，因而形成海流。臺灣東岸的黑潮就是這類洋流。
至於潮流，是流速與流向一直做有規律變化的海水流動。潮流與潮汐同樣是月球、太陽和地球之間引力與互轉的離心力所造成的海水運動。潮汐是海水表面上下的運動，又稱為垂直潮；而潮流是海水的水平來回運動，又稱為水平潮。
洋流流動的能量來自風，風則是太陽對地球照射不均勻（赤道多兩極少）所造成的，因此洋流的能量其實是來自太陽，洋流發電也可以說是間接地用太陽能發電。潮流能量則來自月球與太陽，潮流發電也可視為間接地使用太陽與月球的引力發電。
要利用海流發電，就是要想辦法把海流流動的能量轉換成電能。最常見的方式是在海裡放置渦輪機或水輪機，讓水流推動其扇葉，再帶動發電機發電。其實這與在陸上看到的風力發電機相似，兩者都是從流體擷取能量，差別僅在於一個是在海裡，工作流體是海水，而一個是在空中，工作流體是空氣。
目前風力發電機發展較成熟，因為其設置比海流發電機簡單，不需考慮水密的問題。不過，風力發電機扇葉直徑都很大，最新的3百萬瓦的風力發電機直徑有90公尺，即每一扇葉有45公尺長。為什麼風力發電機必須這麼大？海流發電機是否也要這麼大？這需要考慮流體流動時的能量有多大。
氣流或海流的能量是用每平方公尺截面積的氣流或海流有多少瓦數，即以功率密度表示。功率密度與流體的質量密度及流速有關，流體的密度越大，功率密度就越大，海水的密度約為空氣的800倍。在陸地上，平常的風不會對我們有什麼作用，但若站在水中，水如有一些速度，就很難站穩。
而氣流或海流的功率密度與流速成3次方的關係，也就是說，每秒2公尺的流速的功率密度是每秒1公尺的流速的8倍。另外，若比較風與海流速度，在空氣中每秒2公尺的風稱為輕風，我們經常感覺到這種風，但在海裡要找到每秒2公尺海流的機會很少，通常都比較小。綜合上述兩因素，海流發電機的扇葉還是比風力發電機的小，目前所看到最大的海流發電機直徑是18公尺。
要利用海流發電，顯然要先找出流速大的地方，大流速區域的範圍越大越好。臺灣的東岸有黑潮經過，寬度有一百餘公里，平均流速約每秒1公尺，流幅深度可達1,000公尺。不過，流速較大的海流在水層深度約50公尺以內，超過這深度的水層流速則漸減。雖然黑潮流域有大量可利用的海流能，但主要問題還是黑潮流域海底水深很深，約200 ～ 1,000公尺以上。在這深度的海域，還沒有發電成功的例子，因為工程上要克服的問題很多，即使可以克服，成本必然很高，還需考慮經濟效益。
不過，最近在水深約30公尺以內、較淺且離岸近的海域，利用潮流的發電機組，倒有不少已開發出來。潮流在大部分近岸海洋中，大約每6小時改變一次流向，先由停流狀態逐漸加速往一個方向流，流速上升至最大值後開始下降直到停流。接著潮流往反方向加速，至另一最大流速後又減速至停流，一次來回循環約需12小時多。潮流流速大小與當地地形及水深很有關係，臺灣東岸黑潮流域潮流很小，主要原因是水很深。
臺灣有3個海域潮流較強：一是西北的富貴角外海，水流受凸出的富貴角擠壓而加速；二是西南的澎湖海域，因為水深遽變及島嶼擠壓流域所致；三是南端海域，同樣是受凸出的岬角地形擠壓。這3個海域較有開發潮流發電的價值。
還有一處值得一提的是，在基隆港外的基隆嶼與和平島間有一海底凸出地形，稱為基隆海檻。這海檻因水深突淺，潮流往返通過時在這裡加速。經實地測量，這處潮流可達每秒2.6公尺，是臺灣有實測潮流資料中流速最強的地方。海洋大學正積極對這海域進行測量研究，擬在2012年把自行研發的潮流發電機放置在海檻上測試。
不論波能或海流能的開發，海洋能量轉換設備安裝在海洋中，最怕的就是颱風的侵襲。近年來，平均每年侵襲臺灣的颱風有4～6個，颱風期間，波高可達20公尺以上。雖然說愈大的波高可以轉換出愈大的波浪能，但颱風巨浪往往已經超過波能轉換器的承受極限，這極端巨浪幾乎可以摧毀海洋中任何的儀器。如何做好錨鏈設計，或發電機組在颱風期間有其他的應變措施，都是臺灣在推動海洋能源開發過程中必須面對的課題。
