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亞洲發展波浪能的困境與可能的解決之道

2019-05-28

陳建宏 教授

國立臺灣海洋大學系統工程暨造船學系


波浪能的利用自法國巴黎於1799年頒發第一個專利給吉拉德(Girard)父子以來,如今已廣受全球的矚目,主要的原因之一是波浪遍及各海域,幾乎大海所在之處,皆有海浪的存在。

在波浪能發展的過程,有幾個里程碑是值得我們回顧的。1940年代,日本海軍將領益田善雄使用波浪能作為導航燈的電源,他所發展出來的技術乃是現今漂浮振盪水柱(oscillating water column;簡稱OWC)的前身。有趣的是,在把波浪能轉換成電能的各種形式中,振盪水柱是目前最被看好的技術之一,七十餘年來,日本對OWC的研發情有獨鍾,迭有創新的構想問世。

1973年出現第一次石油危機,這次國際性的危機讓人類重燃波浪能發電的發展。1974年,英國愛丁堡大學沙特(Stephen Salter)教授研發出點頭鴨(nodding duck)。這是一個很有意思的設計,它的外型類似凸輪的造型,布放在水面上時歪一邊,呈不對稱狀態,這樣的布置違反我們習以為常的對稱模式。透過小尺度的水槽測試,沙特教授發現點頭鴨可以消除90%的波浪,同時創造出81%的發電效率。這個驚人的發現,遂使波浪能發電的研發風起雲湧。事實上,透過流體力學的理論分析,我們可以證明:對於浮在水面上的物體,只有非對稱的二維物體可以把波能百分之百吸收掉,對稱物體並不具有這種特性。沙特教授的直覺確實是對的。

  
圖1  沙特教授所設計的點頭鴨原型(左圖)及其內部電路設計(右圖)。

如今波浪能發電的形式可說百花齊放,英國歐洲海洋能中心(European Marine Energy Center)將這些系統概分為八種形式,包括振盪水柱式、點吸收式、擺盪縱移式、衰減式、越波式、潛沒壓差式、激突波式、以及轉動質量塊式。這些形式雖然各有其特點,但基本上都是非常直觀的設計,採用簡單的物理原理,目前尚未定於一尊,乃表示各類型的技術發展皆有其優缺點,且彼此在伯仲之間。

目前除了現有的技術困境有待進一步突破之外,亞洲海域還必須額外面對兩個難題:中低波能密度,以及颱風所帶來的極端海況。

現代波浪能發電的技術發展源自於擁有高波浪能密度的歐洲地區。歐洲海域因緯度較高,位於西風帶上,浪大、能高,因此波浪能的研發與發電技術的開發都集中於高波能密度特性;相形之下,亞洲海域的波能就顯得小巫見大巫,是否有大規模的開發價值,不無疑義。事實上不只亞洲的海域有此困境,亞熱帶地區的海域也大多有同樣的難題。所以這些中低波能密度的海域其實佔了全球較大的海域區塊,若能有所突破,則其應用範圍將高於針對高波能密度地區所研發出來的系統。

圖2  颱風是亞洲海域發展波浪能發電的一大挑戰。

要衝破此困境,研發更高效率的波浪能發電系統是方法之一,譬如改善機組的性能、獵取更多波浪能等,一直是開發者殫精竭慮要突破、再突破的目標。這當中最具有代表性的類型乃是OWC,早期的OWC效率不高,近年來有U型振盪水柱式的新式樣,可大幅提高振盪水柱的振幅,進而提升發電效率;此外,多槽式振盪水柱、以及日本學者所發展的漂浮後向式OWC,都是另類可提高效率的方式。我們相信還有更多的技術是現今的系統尚未發想到的,未來技術性的大突破並非是天方夜譚!

颱風所帶來的極端海況是亞洲地區遭遇的另一個困境。亞洲的海域,自菲律賓以北、直到日本周圍,都暴露在颱風可能侵襲的區域之內,以2018年為例,颱風與熱帶氣旋幾乎掃過所有的亞洲海域。過去亞洲各國的發展經驗顯示,暴露在海面上的海洋能發電系統,在面對極端海況的肆虐時,通常會遭到不同程度的損壞,就連歐洲的Pelamis波浪能發電系統,在一場暴風雨橫掃過之後,也不能倖免。事實上,除了振盪水柱系統外,其餘波浪能系統的部分重要組件通常會暴露在水面附近,且未得適當的保護,在極端波浪的作用之下,大多顯得脆弱難擋。至於例外的振盪水柱,咸認是較有工程可行性的方式,因此等系統的氣室大多由水泥等土木建材建造而成,極其穩固,對其內的波浪能轉換系統形成充足的保護,更何況這些渦輪機與發電系統並未與水直接接觸,不至遭到波浪的破壞。

圖3  波浪能發電系統可與沉箱結合。

 

所以,適合亞洲海域發展的波浪能系統,應該擁有能讓動力外送器(power take-off;簡稱PTO)與發電系統得到適度保護的架構,也許類似OWC的土木「外罩」是有其必要性的。當然,這會增加開發的成本,但若能與現有的防波堤之類的沉箱結構結合,把沉箱當作「外罩」來使用,則可避開此一疑慮,降低成本,提高可行性。事實上,波浪能發電系統與沉箱結合並非是新的概念,歐洲與南美洲都已經有實際的案例,主要以OWC為主。

最後,亞洲發展波浪能的困境若能有所突破,還有一層社會意義衍生出來。全球較貧窮、或是較弱勢的族群都集中在亞熱帶區域,因此技術上的突破或可促使這些地區的波浪能得到有效開發,若再結合其他再生能源的開發,建立儲能系統與微電網系統,這將有助電力的普及,進而改善當地人的生活品質與生命健康。