余興政 教授

國立臺灣海洋大學系統工程暨造船學系

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今年（2021）受新冠肺炎疫情三級到二級警戒的影響下，全國海洋能能源創意實作競賽的整體活動時程後延一個月的時間，讓各參賽隊伍的同學們能有更充裕的時間好好利用暑假期間將波浪能發電系統做出最好的設計與實踐，充分讓年輕學子能將課堂所學的知識搭配親自動手實作得以學以致用。同時為了兼顧綠色能源及環境永續的均衡發展，且配合能源轉型的相關政策方針，透過各式創意實作競賽積極探究新興能源的創能、節能、儲能、以及智慧系統整合的可能性，以腦力激盪及向下紮根的教育理念，培養未來綠電及再生能源的科技人才。今年度的全國海洋能能源創意競賽分組，除了每年皆舉辦的國中組與高中組之外，亦恢復大專組的組別，讓更多有志青年學子共襄此屆競賽活動之盛舉。為了提升參賽同學們對於海洋能源的基本知識與實作能力，在今年初競賽活動前，邀請工業技術研究院綠能所海洋能技術研究室的許文陽經理和鍾揚棋研究員進行兩場專題演講講座，講題分別為「海洋能源發電系統之概況」和「波浪能發電裝置原理與設計概念」。並於八月份舉辦兩場線上工作坊活動，邀請富連海能源科技公司莊閔傑經理分享海洋能源發電系統開發的業界實務經驗，也能在競賽活動中更能了解海洋能源發電機的原理與選用，以及海洋能源發電系統之系統整合與規劃。第二場工作坊邀請參賽經驗豐富且為常勝隊伍的國立高雄科技大學造船及海洋工程系楊敏雄主任、古仲庭、黃俊叡研究生進行海洋能源轉換系統的案例分析與實作經驗分享，以期望各參賽成員與指導老師實現不同創意的新點子，來實際開發製作新型海洋能源發電系統，亦能在2025年國家能源轉型政策目標下注入新思維與貢獻。

創意波浪能發電系統／千重浪湧．綠電永續
「海洋能能源創意實作競賽」主要專注於波浪能的發電轉換裝置之設計與開發，利用波浪的動能轉換成電能。波浪能發電系統通常可區分成三部分：第一部分為波能擷取系統，利用各種匯集波浪之技術來補償沿岸地形的缺陷，可有效提昇波浪的振幅大小與能量密度；第二部分為波能轉換系統，可有效率地將波浪動能轉換成電能；第三部分為併網或儲能系統，可依據近海或沿岸發電利用海底電纜傳輸電力將電能併入電網或予以儲存。一般常見的波浪能發電裝置可區分為：削減式（Attenuator）、點吸收式（Point Absorber）、擺盪衝擊式（Oscillating Wave Surge Converter）、震盪水柱式（Oscillating Water Column）、越頂式（Overtopping Device）、潛沒壓差式（Submerged Pressure Differential）、轉動質量式（Rotating Mass）、蛇行波浪式（Bulge Wave）、以及其他創新之波浪能發電系統，此創意與整合正是要讓參賽同學藉由競賽活動激盪出的新點子並加以實踐。本屆海洋能創意實作競賽鼓勵參賽學生提出極具創新性與產業應用性的波浪能轉換器，競賽組別分為：大專組、高中組、國中組。設計細節應包括錨錠系統與能量轉換裝置等技術應用主題相關之實作專題，期許參賽學子在現有的技術基礎上，能跳脫思維的框架進行腦力激盪，大膽假設小心求證各種波浪能發電器的可行性，未來亦可依據此構想設計開發出一套具有產業利用性且兼具永續運轉的綠色能源發電系統，並詳實考慮發電系統之設計與整合，針對波浪能擷取與轉換、繫纜錨錠與海事工程、電力傳輸與儲存、施工與維護、工程經濟與成本、和環境保護等議題，以提升整體波浪能發電系統的運轉效率與可實現性。以下與大家一同分享本屆海洋能創意實作競賽得獎隊伍的作品。

大專組冠軍－【給我一個支點，能救地球】

隊名：基隆防疫最後希望

作品名稱：給我一個支點，能救地球

學校名稱：國立臺灣海洋大學

組員：鐘一飛、陳品傑、鄭元昊

圖1 「基隆防疫最後希望」隊榮獲大專組冠軍。

「基隆防疫最後希望」隊伍作品「給我一個支點，能救地球」的創意設計理念是以浮體式震盪水柱波浪能發電裝置結合槓桿原理，此發電裝置受波浪起伏造成封閉氣箱內的水柱上下震動並配合著槓桿運動；當波浪波峰擠入時，槓桿運動將氣箱向下擠壓，可壓縮更多氣箱內的空氣，因此可大幅增加排出的空氣量，驅使更高壓的氣流帶動發電機之渦輪葉片加速旋轉達到近乎額定轉速，可提升發電效率。此外，在渦輪葉片前後加裝導板，以限定氣流流動的方向，使得渦輪葉片只能以同一方向旋轉，故不會因為進氣或排氣造成渦輪葉片運轉方向不同的問題。此浮體式震盪水柱波浪能發電裝置之設計和傳統固定在沿岸邊的岸基式震盪水柱波浪能發電裝置之不同處，是以浮體方式進行佈放，可降低受地形安裝限制之影響，並且此系統較不受波浪因與海床地形摩擦而失去部分波浪能之優勢，藉此提高波浪能匯集之效能。一般而言，固定岸基式震盪水柱式波浪能發電系統的轉換效率約為11%，而本次競賽製作具支點形式的震盪水柱波浪能發電裝置之轉換效率可達31.5%，約為固定岸基式發電系統的3倍。

圖2 浮體式震盪水柱波浪能發電系統（左為俯視圖，右為正視圖）。

圖3 浮體式震盪水柱波浪能發電系統（左為側視圖，右為實體圖）。

本次參賽製作的震盪水柱式波浪能發電裝置的設計原則有：長度必須小於1/4波長，方可獲得最大效率。裝置作動時，整體高度必須設定保持在水面之下。右邊浮筒在作動時，以不觸碰到中間平台的基礎下，設計浮台與浮筒寬度。當封閉氣室充滿最多水時，整體重量增加15公斤，經由槓桿的比例（2:1）使浮筒設計之重量為30公斤。當浮台剛好完全沒水的情況下，使浮筒與浮台在無波浪時的高度差設定為0.1公尺，此時浮筒有30公斤的浮力，浮力和重力可達到力平衡，可使裝置維持平行。實際將震盪水柱波浪能發電系統安裝於造波水槽內進行測試，在水深50公分，波長為10公分，週期為2.46秒之測試條件下，利用功率計量測得到的最佳功率為150 mW，此發電轉換裝置的水線寬度為0.73公尺，裝置重量為31.3公斤，故單位長度之總發電功率為205 mW/m。本次參賽的浮體式震盪水柱波浪能發電裝置之機構圖、在造波水槽內之測試圖、以及獲選大專組冠軍之照片，請參考圖1～3所示。

高中組冠軍─【捲軸式單向波浪能發電機】

隊名：一個人的隊伍

作品名稱：捲軸式單向波浪能發電機

學校名稱：基隆市立安樂高級中學

組員：謝宗翰

圖4 造波水槽內之捲軸式單向波浪能發電系統測試。

「一個人的隊伍」隊伍的作品「捲軸式單向波浪能發電機」是以點吸收式波浪能發電裝置作為設計基礎，除了能量擷取之浮筒裝置以外，其餘機構皆可離開水面，可降低發電裝置之建置、維修、保養之成本。此外更可依海床地勢，可與跨海大橋、或離岸風機進行結合，作為離岸發電機組之備用電源，亦可吸收橋體和離岸風機周遭之波浪衝擊，是一款極具高度開發價值之波浪能發電系統。捲軸式單向點吸收波浪能發電機組之設計特點在集線軸（動力軸）上的兩個集線圈，集線圈上有兩條繩子分別為A繩和B繩。當浮筒上升時，A繩拉出，B繩收回；當浮筒下降時，B繩拉出，A繩收回。並由集線軸將動力輸入齒輪組，此齒輪組的設計可將浮筒上升或下降的雙向運動，使發電機都以同個方向旋轉，因此可提高發電效率。此外，加裝飛輪裝置可持續提供較大之扭矩於動力輸出軸，可克服波浪脈衝式的發電特性，使得發電機得以連續性的發電。此發電機組之新穎性與創意特點有三：(1) 以集線軸（動力軸）作為能量傳遞的主要裝置，提升能量傳遞的效率。(2) 透過齒輪組將波浪上升與下降所擷取的能量，皆能使發電機以同個方向做旋轉，有效提升發電效率。(3) 利用飛輪裝置使浮筒在上升或下降轉換時，仍可帶動動力軸旋轉，使發電機達到連續發電之特性，亦可提升發電效率。本次參賽的捲軸式單向波浪能發電裝置之機構圖、細部零組件、在造波水槽內之測試圖、以及獲選高中組冠軍之照片，請參考圖4～5所示。

圖5 捲軸式單向波浪能發電系統之雙集線軸設計(左為雙集線軸設計，右為飛輪設計)。

國中組冠軍─【上上下下發電王】

隊名：繪崎可樂助

作品名稱：上上下下發電王

學校名稱：宜蘭縣立員山國民中學

組員：江宇浩、林婉儀、簡玉婷、賴品臻

圖6 「繪崎可樂助」隊榮獲國中組冠軍。

「繪崎可樂助」的作品是採用浮箱設計，在浮箱下方增加一片大浮板及滑軌控制帶動浮箱及增加接觸面積，再經由線連接迴力裝置，帶動迴力裝置軸心的發電機進行發電，能有效地解決波浪本身不穩定裝置軸心的問題。當波浪來的時候，上下起伏的波浪會帶動上半部的浮箱產生位移，進而帶動與浮箱相連接的線，浮箱拉動線則會帶動下半部的迴力裝置。裝設在迴力裝置軸心的發電機會因為迴力啟動而進行發電，此時迴力裝置會使浮箱回歸原位，以待下一次波浪到來並再發電。此款波浪能發電機組之設計概念的新穎性與創意特點包括有：(1) 採用浮箱和浮板來增加接觸面積，可提升帶動發電機的力；(2) 浮箱設計配合滑軌控制其位移，以減少波浪不穩定之影響；(3) 整體包覆性機構，可降低海洋生物受傷之機率；(4) 彈力裝置可有效帶動浮箱產生位移回歸原點；(5) 設計簡單、容易更替發電機，可節省材料花費及維護成本。本次參賽的波浪能發電機組裝置機構圖、在造波水槽內之測試圖、以及獲選國中組冠軍之照片，請參考圖6~7所示。

(a)	(b)
(c)	(d)

圖7 (a)造波水槽內之浮箱式波浪能發電系統測試, (b)具滑軌調整之浮箱式波浪能發電系統之整體外觀,(c)具滑軌調整之浮箱式波浪能發電系統的上半部浮箱,(d)具滑軌調整之浮箱式波浪能發電系統的下半部迴力裝置​。