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波浪能發電來了!台灣可以嗎?
你聽過波浪能發電嗎?除了風力發電、水力發電之外,現在還有波浪能發電。它是一種藉著波浪能裝置,把波浪能轉換為電能的發電方法,是一種取之不盡、用之不竭的再生清潔能源。經過評估,澎湖西北海域是較佳的裝置區域,不過由於海水腐蝕、波浪不穩定、海底電纜裝設不易等因素,因此仍有許多需要克服的地方。
 
 
全球現況與展望

全球可經濟開採的波浪能資源高達2,000 TWh∕年(1 TWh=1012瓦‧小時),約為2005年時全球總發電量的11%。

目前至少有50個波浪能計畫在進行,其中最具產業領導地位的是英國海洋電力傳輸公司(Ocean Power Delivery Ltd.)。這家公司研製出最先進的離岸式波浪能發電機組「Pelamis」,在蘇格蘭營運,每年可產生2.2兆瓦的電能,足夠滿足1,500個家庭用電的需求,而這個波浪能發電站最終目標是產生21兆瓦電能。
 
離岸式波浪能發電機組Pelamis。
▲離岸式波浪能發電機組Pelamis。


另外,2008年9月這家公司在葡萄牙北部大西洋沿岸靠近Povoa de Varzim城鎮,離岸3海里的Agucadoura海灣處,完成了世界第一座商用型波浪發電站,總裝置容量是2.25 MW。

過去20年來,波浪能發電機組營運所需的電力成本明顯下降,在折現率(discount rate)8%下,預估約為0.08歐元∕度,比起歐洲現行的平均電價0.04歐元∕度高出一倍。但未來幾年,全球還會有超過15百萬千瓦(15 GW)波浪能發電裝置容量出現。從現在到2025年,波浪能發電若能達到每年2,000 TWh的電力產出,則可媲美目前大型水力發電的規模。
 
離岸式波浪能發電機組Pelamis每年可產生2.2兆瓦的電能。
▲離岸式波浪能發電機組Pelamis每年可產生2.2兆瓦的電能。
全球各地波浪能的能量流密度(energy flux density)差異相當懸殊,最豐富地區是在太平洋和大西洋東海岸區域,在南北半球的緯度40~60度之間,其能量流密度可達30~70 kW∕m(千瓦∕公尺),有些地方甚至達100 kW∕m以上,主要原因是這個地帶的信風。但最不豐富地區的能量流密度卻接近於0。至於英國、葡萄牙等國的海洋波浪能,能量流密度約為40~60 kW∕m。從上述數據可知,波浪能發電成本有可能降至目前風能發電的水平。

臺灣現況與展望

臺灣是海島型國家,海岸線長約1,500公里,每年有半年以上的東北季風吹襲。根據中央氣象局蒐集的波浪模式資料,可推估西岸及西南沿海的波浪能較小(< 10 kW∕m),臺灣海峽北部及東岸沿海地區次之(5~15 kW∕m),澎湖西側海域、巴士海峽、臺灣東北部及東部外海的波浪能則較高(15~20 kW∕m)。
 
臺灣波浪能分布區域示意圖。
▲臺灣波浪能分布區域示意圖。
以目前的波浪能發電技術而言,能量流密度大於10 kW∕m的區域才具備開發價值,例如Palemis的最低要求是13 kW∕m,同時須考量離岸的水深問題,因此澎湖西北海域應是較佳的裝置區域。其他高潛能的東北海岸及東部地區,則因土地利用及地形的原因較不適宜開發。

相較於英國西岸、大西洋東海岸的波浪能量流密度20~40 kW∕m,臺灣的波浪潛能明顯較低。但臺灣地區波浪蘊藏量約1,000萬千瓦(也就是10 GW),如果能善加利用及開發,或許可紓緩電力供應的壓力。臺灣面對能源多元化及永續發展的需要,波浪能發電不失為一種可能的替代能源。

有關臺灣地區波浪能的蘊藏量,以下試做簡易的評估。依據經濟部水利署統計資料,臺灣本島海岸線長約1,134公里,若含各離島的海岸線更長達1,566公里,即使扣除沿海保護區後的海岸線仍超過1,000公里。只要知道這些海域的波能密度,就可計算出波浪能的潛力。

依據中央氣象局所提供的臺灣沿海在2008年的全年波高、周期可分別求得波長與波速,並可進一步算出單位寬度的波浪能功率密度,也可得在一周期時間內,由海底至波浪表面在波前進方向的平均能量通量密度(單位是W∕m)。

目前只能取得幾個觀測站的波浪資料,如新竹、麥寮、鵝鑾鼻、龍洞、蘇澳、花蓮、成功、大鵬灣、七股、澎湖等。試把海岸分為東、南、西、北及澎湖五個海域,再依據海域內有限的觀測資料估算平均波高、周期,然後依水深計算平均波長和波速,最後再算出單位長度波浪能傳遞功率。假設波高的變化呈韋伯分布且分布因數是2,則可依平均波高計算對應的尺度因數,並估算出波浪能傳遞功率。

波高積分的上、下限分別取0 m與5 m,因為以澎湖的最大平均波高1.32 m而言,波高5 m以上的機率已趨近0,因此上限取5 m應屬合理。把各分區加總後的結果顯示,在排除沿海保護區的蘊藏量後,上述海域波浪的總功率大約為8,800 MW,一天產生的總能量大約為210 GWh,或臺灣每人每天210 GWh∕23 M=9.13 kWh∕p-d。

但上述能量需由適當機械轉換成電能,若考慮以Pelamis做為波浪能轉換機械,根據其操作曲線可知,周期小於5秒的波浪,啟動波高必須大於1 m;周期介於5與13秒的波浪,啟動波高則是0.5 m。同樣以韋伯分布計算,所得的總功率是8,200 MW。假設Pelamis的功率轉換係數是50%,則一日內可產生的最大能量是100 GWh或4.35 kWh∕p-d(每人每天4.35度)。

我國波浪能源分布區域的研究資料顯示,澎湖海域是深具開發潛力的波浪發電場所,無論發電量或能量密度都冠於其他海域。若配合風力發電與潮汐發電,特別是豐富的風力發電,澎湖地區可開發成我國再生能源的示範特區,尤其是可極致利用其獨立的地理位置與多樣化的再生能源特色。

波浪能發電的關鍵技術
(1)在初始的操作環境下,諸如海水腐蝕及惡劣海象,容易導致波浪能發電機組元件失靈,因此長期可靠性待驗證。
(2)隨機的波浪情況致使在有效設計波浪能發電機組元件時變得更加困難,機組元件設計的轉換效益待評估。
(3)不穩定的波浪能會使發電機組產生不穩定電力,造成使用者的不便。
(4)與其他離岸技術比較,波浪能發電的技術較難,特別在繫泊、纜線連接、液壓機械、電網併聯、能源儲存等方面。
(5)成本高,採用振盪水柱式波浪能發電設計的裝置成本大約是風能發電機組的2倍,比起其他傳統能源發電的裝置成本更高。
(6)效率低,例如使用於振盪水柱式裝置的空氣葉輪機,效率僅約10~30%,因此整體發電機組的轉換效率非常低。
(7)可靠性不高,以目前振盪水柱式及鐘擺式採集系統的波浪能發電廠為例,容易受到海浪損壞,其他形式的採集系統也很少做過可靠性的測試研究。

待研發項目

針對上述的缺點,重視波浪能轉換的國家紛紛投入新技術研發。以中國為例,已開發出振盪浮子式轉換系統的能源儲存設備(能量緩衝器),不僅降低了建造成本,提高了發電效率,也有穩定的電力輸出。這個小型能量緩衝器的容量是15 kJ,已在波槽做過隨機波浪測試實驗,證實可成功輸出穩定的電力。

另外,設計出的振盪浮子式波浪能元件經過波槽測試實驗,顯示其「俘獲寬度比」近似於振盪水柱式波浪能元件設計,建造成本卻比振盪水柱式元件的設計(相同規格大小)減少1∕3。因此估計未來採用振盪浮子式波浪能發電的成本,會比採用振盪水柱式的波浪能發電方式減少40%。

海底纜線及岸上電網連接器的成本很高,造成波浪能發展的障礙。連接岸上的海上電纜,平均100公里的成本是50萬歐元,裝設於離岸100公里位置的波浪系統,電纜成本就高達總成本的三分之一。其次,電纜須具備能吸收產生自波浪發電設備的電力的能力,但目前許多海邊的電纜並無這功能。

未來應有的行動方案

海底電纜是所有海洋發電項目包括波浪、溫差、海流,甚至離岸式風電的共同基本設備,由於效率低、成本甚高,再加上裝設不易,幾乎是所有海洋發電工程的發展障礙。因此國內相關研究機關可儘速進行海底電纜相關的研究計畫,除了研究如何提高輸電效率、降低成本外,鋪設海事工程也是一大重點。

英國是目前全球波浪工程技術的先驅,可考慮與其合作開發這方面的關鍵元件,例如振盪浮子元件 ─ Pelamis。另先導系統的建立可安排在較有潛力的地區,例如澎湖西北海域或臺灣東北海域。

誌謝:本文若干數據計算由昔日同事曾國棟博士鼎力相助,在此特別致上十二萬分的謝意。

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