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新型深海洋流發電廠和系統

臺灣缺乏傳統能源,為了能源安全、經濟發展與環境保護,亟需開發自有的再生能源。本文介紹一種新型發電廠,應用於深海(40公尺以上深度)洋流的發電廠。
 
 
 
傳統熱能發電廠所使用的燃料,例如煤炭、石油、天然氣或鈾,在發電時,大量排放溫室氣體或產生輻射性廢料,造成的溫室效應與核安問題,引起全球氣候極端變化與環境汙染而受到環保團體抗議。因此,開發潔淨低碳能源的風潮日益興起,例如太陽能、風力、地熱、海洋能等再生能源。再生能源是一種不排放溫室氣體,不造成環境汙染,取之不盡、用之不竭的永續能源。

臺灣缺乏傳統能源,每年要支付近2兆元新臺幣向國外購買,相較之下中央政府總預算只不過1.7兆臺幣,形成國家沉重負擔。長期大量使用化石能源的結果,造成人均CO2排放高達12公噸∕年,名列全球前茅。為了能源安全、經濟發展與環境保護,亟需開發自有的再生能源,尤其是東部海域的洋流發電。東部海域的洋流強勁而穩定,預估發電潛力是臺灣目前電力裝載容量的一半,是全球獨一無二的優質深海洋流發電場址。

深海洋流發電廠的特色

臺灣東部海域很深,熟悉的固定在海床上的淺海海流發電機無法適用。創新方法是利用在水面下100公尺左右的浮動平臺,拉牽20~30臺渦輪發電機,在海面下30公尺處吸收海流能量驅動發電機發電。浮動平臺則以纜線錨定在500公尺深的海床上,可適應常年高風大浪而且地震頻繁的惡劣環境。

20~30臺渦輪機形成一群組,所發的電集中至平臺上的變壓設備,經過變頻之後由電纜送至陸域,可直接併聯供電。電纜鋪設在一個接一個的平臺上,因此不需海底鋪設工程。在最佳組合下,渦輪群組與浮動平臺協調運動被控制在安全範圍內,使不影響魚群活動。

與熟悉的技藝比較,這新型深海洋流發電廠具有下列優點與特色:

(1)渦輪機布放在海面下30公尺處,可避開颱風浪高10公尺的影響;(2)以多點錨錠配合浮動平臺設計,可降低地震引起的坍方、滑移對錨錠系統的影響;(3)機器在海面下30公尺,不與海面接觸,氧化程度大為降低,設備的腐蝕問題容易解決;(4)機器在海面下30公尺,陽光很弱,除極少數大型海生哺乳類外,少有生物活躍其中,不易產生生物附著的問題;(5)渦輪機布放在海面下30公尺處,其間的浮游生物與魚群都少,對大型海生哺乳類如海豚則可用聲納驅離,因此對海底生態的影響只有在施工時存在,完工後復原快。

深海洋流發電廠的結構

深海洋流發電廠應用在水深40公尺以上的海域,例如臺灣東部的黑潮海域。這裝置能吸收該海域因自然因素所產生的海流動能而發電,主要是由下列主件所構成:渦輪發電機群組、浮動平臺、上方錨錠系統、下方錨錠系統、輸電電纜。

渦輪發電機群組是由數個渦輪機與發電機所構成,而以水平軸式渦輪發電機較佳。為配合臺灣黑潮的流動特性,每一渦輪發電機的切入平均速度最好是1 m∕s,並藉由上方錨錠系統的錨固作用,依海流方向轉動葉片的迎面,隨時與水流保持垂直。渦輪機的軸心布設深度最好在海面下30公尺或更深。錨固在浮動平臺上方的渦輪發電機組數目最好是20~30臺。渦輪機機身結構並不複雜,基本上可由三至五片葉片所組成,為增加效率可考慮加上外殼。

除軸承、支架等主要受力結構需考慮由特殊合金製造外,其他部分都可考慮由複合材料做成。發電機要適合低轉速、高扭力,因此應有半徑小、轉軸長的特色。渦輪發電機群組長年布放在海面下百公尺處,雖受到氧化腐蝕的機會比淺海渦輪機或發電機小,但深海中的生物附著還是可能發生。以往防止生物附著的塗料多少具有毒性,大都被環保法令所禁止,因此需要開發新款環保塗料。另外,某些金屬部分可能需要電鍍或潤滑。

浮動平臺是由數百支空心浮筒或實心連桿以球型接頭連接而成,可隨海流作用而變形,其上裝設一電力轉換設備。空心浮筒或實心連桿可由複合材料或塑鋼材製成。浮動平臺的位置最好在海面下100 m左右,整體面積約200 m × 500 m。浮動平臺藉由下方錨錠系統,以數十或數百根錨鍊固定在500 m深的海床上,每根錨鍊所錨錠的地點不需要事先確定,但錨鍊所走的方向要考慮水流的方向,使整個浮動平臺在水流強力作用下,不會有明顯的位移或大幅的變形。

上方錨錠系統是把渦輪發電機群組錨錠在浮動平臺的上方,下方錨錠系統則是把浮動平臺錨錠在海床上。上方錨錠系統與下方錨錠系統所使用的錨鍊,是由質輕且強度大的複合材料或高分子塑材所製成,以減輕重量並具防腐蝕功能,外形則可製成毛狀,減少海流引起的低頻搖擺或高頻振動。

深海洋流發電系統的運作

深海洋流發電系統是由上述深海洋流發電廠所構成,系統的發電送電運作方式如下。

電纜把渦輪發電機群組所發的電輸送到浮動平臺的電力轉換設備上,進行變壓與調頻。電纜掛在浮動平臺上,再銜接至另一浮動平臺,這樣一組一組地串接至陸地,而不需降至海床上,因此不需再做海床的電纜鋪設工程。電纜攜帶電流抵達陸域變電所變壓後,便可併入電網供電。
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