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海洋能源:波浪與海流發電

海洋能主要包含潮汐能、波浪能、海流能、溫差能、海上風能等。要開發海洋能源,就須掌握海洋的環境參數,這些參數對於能源的開發評估與營運維護都是不可或缺的。
 
 
 
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。
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