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海洋能源:海流變電流

積極尋求綠色替代能源是各國目前努力的目標,我國東部有北太平洋暖流(黑潮)通過,流量與範圍都很大,它有可能為我國解決部分用電問題嗎?
 
 
 
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VA下,以旋轉螺槳葉片產生正升力L;升力和葉片表面阻力FV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ua和前進入流VA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VA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FV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VA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ua和入流VA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 = 1/2ρV3A Cp

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)D2D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,CP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。
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