您的瀏覽器不支援JavaScript功能,若網頁功能無法正常使用時,請開啟瀏覽器JavaScript狀態。 中央氣象局數位科普網-海浪也能產生電力
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2019/07/08
海浪也能產生電力

 

自工業革命以來,人類主要的能源為化石燃料(Fossil Fuel),我們日常生活各方面都與煤、石油、天然氣這些化石燃料密不可分。但是高度消耗化石燃料的結果,不僅使地球的化石燃料蘊藏量大幅減少,同時也排放大量溫室氣體,導致溫室效應,造成全球暖化、氣候變遷。全球暖化持續惡化的結果,將使冰山與冰川融化、海平面上升、極端氣候頻繁出現、危害生物多樣性、甚至引起糧食危機、資源搶奪戰爭等。

有鑑於此,全世界的先進國家都積極尋求乾淨、安全且永續的替代能源,希望能減低溫室氣體的排放量。臺灣四面環海,替代能源除了風力發電、太陽能發電等「綠色能源」之外,還有發電潛力無窮的「藍色能源」,如果開發完成,將可能成為未來主要能源之一。

什麼是藍色能源?

所謂「藍色能源(Blue Energy)」指的是「海洋能源(Ocean Energy)」。地球上有超過70%的面積被海洋所覆蓋,海水的熱容量比陸地來得高,因此太陽的輻射能有大部分會被海水吸收並儲存在海洋裡。

根據國際能源總署(International Energy Agency,IEA)的評估,理論上海洋能源每年的發電量,分別為:海洋溫差發電10,000兆瓦小時(TeraWatt-Hour, TWh)、波浪發電8,000~80,000兆瓦小時、海流(包括潮流和洋流)發電超過800兆瓦小時、潮汐發電超過300兆瓦小時、鹽差發電2,000兆瓦小時。

海洋能源除了有(1)能量巨大、(2)可以再生、(3)無環境污染等優點之外,還有(4)不佔陸地空間等優勢,是一種極具潛力的再生能源。以下針對不同形式的海洋能源作簡單的介紹:

  1. 海水溫差發電(Ocean Thermal Power Generation):
    海洋儲存了大量的海水,由於海水的熱容量比陸地大,因此海水比陸地更能儲存較多的熱能。
    海水溫差發電的原理,是將海洋表面的溫水引進真空鍋爐,在壓力急遽下降的情況下,海水溫度即使未達沸點也可以變成蒸汽推動渦輪發電,接著用海洋深層的冷海水來冷卻推動渦輪機過後的殘餘蒸汽,如此重複循環使用。理論上表層溫水與底層冷水的溫差在16℃以上就可以發電,因此熱帶海域是最適合開發海水溫差發電的區域。

  2. 波浪發電(Wave Power Generation):
    波浪是風吹過海水表面形成規律週期性的上下左右起伏運動。海浪資源除無規律或隨季節性變大、變小外均不會中斷,是取之不盡的能源。波浪發電的原理簡單來說就是利用海水表面上下運動之高低點間的位能差,以及海水往復運動所產生衝擊力或浮力差的動能,驅動發電機進行發電。

  3. 海流發電(Ocean Current Power Generation):
    海流主要指海洋表面下速度、方向較為穩定的海水流動,以及由潮汐引起每半天或一天往返轉換方向的潮水流動。
    海流發電的原理簡單來說就是利用海水流動的動能推動渦輪機來產生電力。海流能的能量轉換效率高,在海洋能當中是最主要、最重要的潛在發電主力。

  4. 潮汐發電(Tidal Power Generation):
    潮汐發電就是利用漲潮與退潮之間的高低潮位能(潮差)變化或潮流動能來發電,跟水力發電的原理類似。
    潮汐發電主要有三種方法:(1)潮流發電(Tidal Current Power)是利用流水的動能推動渦輪機;(2)潮汐堰壩發電(Tidal Barrage Power)則利用高低潮的位能不同而發電;(3)動態潮汐能發電(Dynamic Tidal Power)則是利用潮水在位能與動能轉換之間的交互作用來發電。

  5. 鹽差發電(Osmotic Power Generation):
    在海水與河水交會的地方,海水與淡水因含鹽濃度不同而會產生化學電位差能。如果在海水與淡水之間放一層聚合物製成的「半滲透膜(Semi-permeable Membrane)」,只有水分子能通過半滲透膜,因為鹽分濃度差異大,水分子會傳遞到海水這邊,直到膜兩側水的鹽度相等為止,因此化學電位差能會被轉換成水的位能、進而推動水輪機發電,這就是鹽差發電。

國內外的波浪發電研究

在上述不同形式的海洋能源當中,波浪能是最不穩定且又無規律的,但經專家學者的詳細評估,波浪發電的潛力反而是最大。

所謂「波浪發電」是利用發電裝置將波浪的動能轉換成電能,波浪能裝置的設計主要有波浪動能擷取系統以及波浪能轉化系統。最早的波浪能裝置專利是1799年法國人吉拉德(Pierre-Simon Girard)父子獲得的,早期使用的是氣動式波力裝置,利用波浪上下起伏的力量來壓縮空氣,進而推動唧筒中的活塞往復運動而發電。

目前世界各國積極從事波浪發電開發的國家,有英國、日本、美國、加拿大、丹麥、挪威、蘇俄、以色列及中國等國。歐洲海洋能源中心(European Marine Energy Centre)針對波浪能量轉換裝置(Wave Energy Converter)分成8種形式,以下針對這8種形式作簡單的介紹:

1. 衰減式(Attenuator):
「衰減式」為漂浮在海面隨波浪起伏運動的設備,當波浪通過時,相連的兩浮體之間產生相對運動而擷取波浪能;代表裝置是蘇格蘭研發的「海蛇(Pelamis)」,「海蛇」是全世界第一個利用離岸波浪能發電並輸送到國家電網的裝置。

裝置在葡萄牙Agucadoura Wave Park的「海蛇」波浪能發電機組。

Pelamis Wave Power公司所研發的「海蛇(Pelamis)」波浪能裝置

2. 點吸收式(Point Absorber):
「點吸收式」是漂浮在海面隨波浪運動,但能吸收來自各個方向波浪能的設備,它能將頂部浮標與基座的相對運動轉換成電能;代表裝置是由美國研發的「動力浮標(PowerBuoy)」,以及澳洲開發的「海神(CETO)」。

澳洲Carnegie Wave Energy公司所開發的「海神(CETO)」波浪能發電裝置。

波浪能發電裝置「海神(CETO)」

3. 波浪振盪衝擊式/推拉板式(Oscillating Wave Surge Converter):
「推拉板式」係從波浪往前推動的力量中擷取波浪能,固定在軸上的推拉板因波浪通過而得以前後搖擺運動,進而帶動發電機產生電力;代表裝置是蘇格蘭研發的「牡蠣(Oyster)」。

4. 振盪水柱式(Oscillating Water Column):
「振盪水柱式」是一半浸在海水裡的中空設備,設備罩住一部分的海面,被罩住的海面隨波浪上下振盪,進而推擠密閉艙內的空氣然後帶動渦輪機發電;代表裝置是蘇格蘭研發建設的「LIMPET」。

波浪產生時,在發電系統內被罩住的海水會作上下垂直運動,推擠海水上方的空氣然後轉動渦輪機葉片。

振盪水柱波浪發電系統原理

5. 越頂式(Overtopping/Terminator Device):
「越頂式」是可讓海水越過堤防進入蓄水池中,蓄積的海水跟傳統水力發電一樣,在回流入海中時可帶動水輪機發電;代表裝置是丹麥研發的「海龍(Wave Dragon)」。

「漸縮水道裝置」在近岸地區建立一條河道,海浪推動海水進入河道後,海浪增高因此跨入蓄水池,然後以位能形式推動渦輪機發電。

「漸縮水道裝置」示意圖

6. 水下壓差式(Submerged Pressure Differential):
「水下壓差式」通常是固定在海床上的近岸波浪能設備,機組上方的海水因波浪而上下起伏,藉著水壓差帶動幫浦產生液壓到發電機組來發電;代表裝置是蘇格蘭研發的「波浪搖擺(Archimedes Wave Swing)」。

7. 漲波式(Bulge Wave):
「漲波式」是將一條可充滿海水的橡皮管朝向海浪的來向,並放置在海床上;當海水灌入橡皮管時,會因波浪推移而使管內產生水壓差,因而在管子上形成「漲波」,當漲波沿著管子前進時,會逐漸蓄積能量最後推動渦輪機發電。代表裝置是英國開發的「海蟒(Anaconda)」

8. 旋轉質量式(Rotating Mass):
「旋轉質量式」會隨著波浪起伏而搖擺,係利用兩種旋轉方式來擷取波浪能,主要的裝置運動時可以帶動偏心重量(Eccentric Weight)或是陀螺儀轉動,進而驅動發電機。代表裝置有法國研發的「SEAREV機器」。

目前許多國家都在積極開發波浪能源,我國也不例外,特別是臺灣四面環海,海岸線長且有季風吹襲,所蘊藏的波浪能源的潛力是相當無窮。根據中央氣象局的資料顯示,澎湖西側海域、巴士海峽、臺灣東北部及東部外海的波浪能流密度較高,達到15~20千瓦/公尺(kW/m),估計臺灣波浪能源的蘊藏量約有1000萬千瓦,是除了太陽能與風能之外,另一個清潔與永續的替代能源選擇。

由於臺灣經常受到颱風及地震等天災地變的衝擊,而且地理環境又相當的特殊,所以國外已開發的波浪能發電機組並不一定適合我們;目前朝自行研發適合臺灣地理環境及氣候條件的波浪能發電系統努力。

近年來經濟部能源局委託工業技術研究院針對波浪能發電機組進行研發,現已成功開發出「懸浮點吸收式」波浪發電系統,該系統具有低阻尼高剛性的運動機構設計、雙向發電以及蓄壓功能之動力轉換裝置設計,發電機組效能已達到20千瓦,正在海上進行長期測試。經濟部能源局則計畫在2018年以前先進行波浪發電機組供電展示,期望能在2025年前完成我國第一座1百萬瓦的示範電廠,為臺灣再生能源作出具體的貢獻。

工業技術研究院開發之「懸浮點吸收式」波浪能發電機組,分為2個部分:第1部分為設計圓柱浮體,第2部分為能量擷取系統,將波浪的動能轉為電能。

20瓩波浪發電機組之組成

波浪預報對波浪發電的幫助

評估波浪發電的效益,則需藉助實測的波浪數據來進行分析;波浪能源是以每單位寬度的波峰蘊藏多少千瓦,即功率密度來表示。中央氣象局目前已建置全臺灣的「海象觀測網」,其中布放於臺灣周圍海域的「資料浮標站」可蒐集各海域即時的浪高、風速、流速及海水溫度等資料。

由於目前波浪能發電技術,必須在波浪能量流密度大於10千瓦/公尺(kW/m)的區域才具備開發價值,研發人員可根據氣象局海象觀測網所蒐集的觀測資料,估算臺灣周圍海域波浪的平均波高、週期,最後計算得到單位長度波浪能的傳遞功率,進而評估出適合置放波浪能發電機組的海域。

在波浪發電營運方面,由於海洋能發電機設備一般均安裝在海洋中,最怕的是颱風侵襲,雖然颱風期間波浪高度很大,是有利於發電能量的產生;然而越高大的波浪不但不能轉換出越多的波浪能量,甚至還很容易超過波浪能轉換器的承受極限,反而將摧毀發電機組。因此精準的波浪預報數據,不僅是波浪能研發人員修正發電機組設計的方向,而且在颱風侵襲臺灣期間,更可提供發電機組應該如何採取緊急應變及處置作為的參考依據。氣象局除發布海上劇烈天氣預報外,目前利用波浪預報模式可以提供臺灣各海域未來72小時可能出現的浪高變化數據,將可協助國內波浪發電廠提升營運效能與安全。

 

臺灣在波浪能發電方面還屬於起步階段,要持續推動「藍色能源」-「海洋能源發電產業」,除了要投入資金以外,還需要整合政府機構與民間企業的研發團隊,並藉助先進國家的經驗,朝低碳綠能方向全力邁進。

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