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海洋能源:滔滔白浪放光明

當大家看見大海中的滔滔白浪,一波接著一波湧向岸邊時,不知心中有什麼感想?波浪擁有各種不同的樣貌,力量大到足以摧毀堤防,翻覆巨型輪船,隱藏著極大的能量。
 
 
 
風浪中有未來

當有機會到海邊,看見大海中的滔滔白浪一波接著一波湧向岸邊時,不知大家心中有什麼感想?也許,文人墨客會有「浪淘盡千古風流人物」的詠歎,衝浪者試著觀察浪的生成以便迎向浪頭「馭風駕浪」,船長則想著如何操控船隻「乘風破浪」向前行。然而你可曾想過有一天家裡的電燈泡會亮、電風扇會運轉,或電腦可以開機上網所需要的電,是來自海中的波浪?

波浪給人們的印象從「風平浪靜」乃至「驚濤駭浪」,它擁有各種不同的樣貌,力量大到足以摧毀堤防,翻覆巨型輪船,由此可知,海浪其實隱藏著極大的能量。如何深入了解海浪的特性,進一步駕馭它以擷取其中的能量,是當前研究人員一個相當重要的課題。

再生能源是未來的趨勢

自從工業革命以來,由於人類長期大量使用化石燃料(如石油、煤炭、天然氣等),使得全球暖化的問題日益嚴重,導致氣候變遷,造成農作物產量下降、冰河逐漸融化流失、海平面水位上升、濱海陸地面臨被淹沒等問題。

「京都議定書」(Kyoto Protocol)通過全球二氧化碳排放量的管制以及「聯合國氣候變化綱要公約」,使無汙染之虞的再生能源(renewable energy)研發計畫愈來愈受到重視。除了因應全球暖化的問題外,再生能源的開發也是為了解決現階段石油耗竭的問題,以及核能可能帶來的輻射汙染問題。

所謂再生能源指的是取自於自然界,具有可再補充和永續特點的能源。傳統再生能源主要包括水力電能和傳統生質能(如燃燒木材),非傳統(新)再生能源常見的有太陽能、風能、現代生質能(如由玉米提煉的生質柴油)、海洋能、地熱等。

目前全球的總發電量中有16%來自於水力發電,僅有3%來自於新再生能源。在國內方面,2010年各類能源形式的發電量以燃煤占最高比率(48.3%),其次是天然氣(24.9%),再加上燃油(4.6%),化石燃料的發電量共占了國內總發電量的四分之三以上;水力發電占約2.8%,而新再生能源發電僅占約1.9%。其中水力發電雖然屬於再生能源,但因為水壩的建置經常會影響環境生態,所以發展有限。

目前臺灣開發的再生能源以太陽能和風能為主,其中風力發電已達到經濟效益,每年共可發電7.6億度,約能提供19萬戶家庭1年的用電量。由於臺灣西海岸和澎湖離島具有良好的風場,離岸風力蘊藏量據估計可達每人每天有29.9度電。風力發電未來的潛力相當高,然而考慮國土面積有限和風機噪音的問題,未來應該朝興建離岸風電廠發展。

在新再生能源中,海洋能具有高蘊藏量、乾淨無汙染、無陸地空間需求等優點,是太陽能和風能以外,非常有潛力並值得開發的能源。

海洋蘊藏豐富能量

海洋占了地表7成以上的面積,蘊藏著非常豐富的能源。海洋能蘊藏的形式主要包括:波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差能。

波浪能本質上是由太陽能轉換而成,由於太陽輻射的不均勻加熱,造成不同區域海水表面溫度差異,進而產生大氣流動(就是風)。此外,因地球自轉使風受到科氏力與慣性力而改變風向和風速,最後當風吹過海面時,因空氣壓力和摩擦力作用在海水表面而造成波浪。利用波浪運動的位能差、往復力或浮力產生動力,便可轉換成電能。

潮汐能是利用漲退潮間的局部海水位能差來產生電能,海流能利用的是大規模洋流流動的動能,海水溫差能是利用表層海水和深層海水間的溫差能量轉換為電能,海水鹽差能則是利用海水濃溶液擴散到稀溶液中釋放出來的化學電位差能轉換為電能。

就蘊藏量而言,以上海洋能中以波浪能的蘊藏量最豐富,全球估計約大於20億瓩(或2 TW);其次是溫差能,約為10億瓩。潮汐能發電雖然技術較成熟,但蘊藏量較少,以致經濟效益較為不足。在洋流能方面,臺灣地區以黑潮發電最具開發潛力,然而仍需研發關鍵技術,如深海水輪發電機等。

波浪所包含的能量包括動能和位能,大致上,波浪能量(單位:瓩/米)和波高平方及波浪周期成正比。由此可知,波浪高度是影響某一地區波浪能豐沛與否最主要的因素。以目前波浪發電技術而言,波浪能量大於10瓩/米以上就具開發價值。

由全球波浪能潛勢分布情形來看,介於緯度30度至60度範圍之間具有最高的波浪能量,其中以歐洲北大西洋岸(包括英國和愛爾蘭西岸)、北美洲北太平洋岸、非洲南端、澳洲南端、紐西蘭南端、智利南端等地最有開發潛力。臺灣所處位置緯度較低,波浪能大約介於5~20瓩/米,其中以臺灣東北部和澎湖西北部較具開發潛力,波浪能大約15~20瓩/米。

如何利用波浪發電

要把波浪能轉換成為電能,必須經過一系列的機械裝置和程序,進行能量傳遞和轉換,這類機械裝置稱為「波浪能轉換發電系統」,或稱為「波浪能轉換器」(wave energy converter, WEC)。波浪能轉換發電系統是把振幅變化不規律、頻率低的波浪(0.1~0.2 Hz),透過機械結構聚波和共振來採集能量並轉換能量,最後傳輸至穩定的電網供電。

一般而言,在能量傳遞和轉換過程中都有能量損耗,如果經過太多次的能量轉換,會大幅降低發電的效率,造成系統複雜、操控和維護困難、成本提高等缺點。

一個波浪能轉換發電系統的架構可分為3階段。

第一階段是波浪能的擷取(採集),通常利用機械結構聚波或機構和波浪共振的方法把分散的波浪能聚集起來,這部分也可視為機械式的整流。

第二階段是透過工作介質加壓,轉換和傳遞能量。能量傳遞的方式包括低壓水力傳動(水的重力位能)、高壓液壓傳動(液壓)、氣動傳動(氣壓)、機械傳動(連桿機構),使波浪能轉換為可利用的機械能。

第三階段轉換稱為最終轉換,使上一階段的加壓工作介質通過渦輪機,帶動發電機轉換為電能。

有些波浪能轉換發電系統架構僅包含兩個階段,即省略工作介質加壓的部分,而使第一階段由波浪能轉換為具有動能的磁鐵芯往復通過線圈來發電,即直接應用電磁感應定律。

波浪能的發展

文獻上最早的波浪能轉換器,可追溯至1799年的一項由法國人發明的專利。之後一直到1970年代發生第1次石油危機,人們才意識到開發替代能源的重要性,歐洲以英國為首率先開啟了波浪能相關研究的紀元。

其中一個重要的轉捩點是當時(1974年)一位愛丁堡大學的史蒂芬沙特(Stephen Salter)教授發表了一篇影響深遠的文章在《自然》期刊上,他提出以波浪能當作替代能源的構想,引起許多國家陸續投入波浪能的研究。值得一提的是,沙特教授提出的「沙特鴨」(Salter Duck),又稱為「點頭鴨」,是一種凸輪外形的浮體,用途是吸收波浪的能量進而把這能量轉換成為電能,這裝置至今仍被公認是最有效率的波能吸收器之一。

然而到了1980年代,由於石油危機暫時解除,且原先最積極於波浪能研發的英國政府開始致力於以核能或燃煤為主的大容量發電系統,使得已有不錯成果的波浪能研究因為缺乏經費而宣告暫停。直到1990年代中期,離岸波浪能發電系統的研發才獲得較大的突破。

近十餘年來,波浪能發電又受到許多矚目,一些系統甚至已進入商轉或前商轉階段。尤其是英國、葡萄牙和愛爾蘭,在政府的支持下,已經陸續規劃並且建置完成波浪能測試中心。由此可見,政府對能源政策具有絕對的主導力,必須慎思未來方向,提出前瞻性的政策。

從1970年代至今,波浪能發電的發展成果比起太陽能和風能落後不少,原因除了須克服先天上嚴苛的海洋環境和龐大的資金需求之外,政府的支持態度更是關鍵。

波浪能轉換器類型

波浪能轉換器主要包括波浪能擷取系統和波浪能轉換系統。過去許多研究人員和發明家針對波浪能轉換器投入心血和智慧,並以專利公開技術,估計至2011年,美國專利資料庫中有600件以上的專利和波浪發電相關。三十多年來累積了許多創新的設計,其中有些設計相當成熟,並且已進入商轉階段。

歐洲海洋能源中心(European Marine Energy Centre, EMEC)針對波浪能擷取系統提出了6種分類形式,分別是衰減式、點吸收式、波浪振盪衝擊式/推拉板式、振盪水柱式、越頂式和水下壓差式。

根據安裝的位置,波浪能擷取裝置分為岸基式、近岸式及離岸式。一般而言,離岸式裝置的入射波浪波高較大,波浪能量較高。岸基式裝置由於波浪被岸邊海床地形破壞而產生碎波,因此波浪能量較低。近岸式裝置的波浪能量則介於以上二者之間。然而考慮機組維修的難易程度,以離岸式裝置最耗費人力和成本,岸基式裝置因位於陸地上,維修成本最低。

在波浪能轉換系統方面,大致可分為氣壓式、水力式、液壓式、線性發電和其他(如壓電元件)。

以下簡單介紹6種波浪能擷取系統。

衰減式 代表裝置是稱為「海蛇」(Pelamis)的波浪能轉換器,由蘇格蘭愛丁堡的Pelamis Wave Power公司所研發,是全世界第一個(2004年)利用離岸波浪能發電並傳送至國家電網的裝置。

「海蛇」由一系列圓柱形鋼筒結構鉸接而成,全長約180公尺,鋼筒直徑約4公尺。波浪朝著裝置的長軸方向通過,使浮筒隨波浪上下運動,由於相鄰的兩個浮筒間產生角度和距離的變化,因而啟動液壓泵,使高壓油推動液壓馬達並帶動發電機,每個鉸接點產生的電力藉由海底纜線傳輸到岸上。第二代「海蛇」每具裝置發電容量可達750瓩,可供500個家庭用電。(參考網址:www.pelamiswave.com)

點吸收式 代表裝置是「動力浮標」(PowerBuoy),由美國Ocean Power Technologies公司所研發。基本原理是利用浮標隨著波浪運動上下起伏,再藉由齒條齒輪機構驅動一永磁式發電機產生電力。目前一個機組的額定容量是150瓩,下一代研發中的機組額定容量是500瓩。(參考網址:www.oceanpowertechnologies.com)

波浪振盪衝擊式/推拉板式 代表裝置是「蠔」(Oyster),是由英國Aquamarine Power公司於2005年所研發的近岸波浪能發電裝置。它的基本結構是一機座固定在海床上,一推拉板以鉸鍊和機座連接。當推拉板受到波浪衝擊時,造成如同鐘擺繞著軸心來回擺動,帶動固定於延伸臂上的液壓泵,使高壓油衝擊佩爾頓水輪機(Pelton Wheel)的葉片,帶動發電機組產生電力。

Oyster-1寬18公尺,高11公尺,圓管直徑1.8公尺,額定裝置容量是315瓩。第二代機組Oyster-800額定裝置容量是800瓩,預計於2012年商轉。(參考網址:www.aquamarinepower.com)

振盪水柱式 代表裝置是Limpet,由蘇格蘭的Voith Hydro Wavegen公司所研發,是一種岸基式(或近岸式)的波能轉換器。利用波浪上下振盪,驅動裝置中密閉艙內的空氣上下流動,進而帶動渦輪機發電。通常艙體設置在海岸邊,當海水湧入艙體底部時,介於艙體和海水間的空氣被壓縮,並通過安裝渦輪機的出入口,驅動和發電機耦合的渦輪機。Limpet可推動2具250瓩的威爾斯渦輪機(Wells Turbine),產能500瓩,優點是維修方便且運行可靠。(參考網址:www.wavegen.co.uk)

越頂式 代表裝置是「海龍」(Wave Dragon),由丹麥的Wave Dragon公司所研發。這裝置是利用波浪衝上斜坡,越過堤防並匯集海水於一水槽形成水頭壓差,帶動下方的水輪機發電,最後流回到海洋。「海龍」將於2011年於英國威爾斯下水試運轉,預估發電容量是20瓩。(參考網址:www.wavedragon.net)

水下壓差式 代表裝置是「波浪搖擺」(Archimedes WaveSwing)。它的發電原理和點吸收式的「動力浮標」相仿,只是裝置採全部沒入於海下的方式,利用波浪上下起伏時產生的水壓差來驅動浮體並帶動發電機,每具裝置發電容量是250瓩。(參考網址:www.awsocean.com)

展望與挑戰

利用海洋能發電是太陽能和風能之外一個不錯的選擇,除了海洋能具有清潔和永續的特性外,比起其他再生能源,海洋能更具有低土地空間需求的優點。而其中的波浪能蘊藏量達20億瓩,估計可提供全球總消費電力的12.8%。目前波浪能發展較先進的地區以西歐國家為主(以英國最領先),美國、加拿大在這領域也有不錯的研究能量和民間企業投入。歐盟訂定的發展目標是2020年前裝設0.1~0.14億瓩的海洋能裝置。

臺灣在波浪能發電方面目前尚在起步階段,雖有一些專利發表,但政府和民間企業仍在審慎評估階段。未來應可採取國際合作方式,借助先進國家的經驗,早日建立本國的產業鏈,以朝向低碳綠能的方向邁進。

未來,臺灣的波浪能發電仍須面對以下幾方面的挑戰:

轉換效率 相對於西歐大西洋海域,臺灣海域的波浪潛能偏低,最高潛勢的區域位在臺灣東北海域和澎湖群島西部海域,必須提升波浪能發電機組的擷取和轉換效率,才可達到經濟效益。

存活度 離岸或近岸機組必須禁得起臺灣海域於6~9月颱風季節嚴苛的海象,甚至包括颱風過後的沿海漂流木問題。

可靠度 海上機組的維修相當耗費成本,甚至可能必須拖回岸上維修,因此高可靠度的設計是必要的。透過各種感測和通訊技術,可針對機組進行嚴密的遠端監控和管理,以提升裝置的可靠度。機座與錨定纜繩斷裂導致失效、防水密封問題、海水腐蝕、生物附著、生物或船隻撞擊等問題,都可能導致機組失效。
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