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波浪能發展的困境與前景

2020-10-14

陳建宏 教授

國立台灣海洋大學


        波浪能是海洋能重要的一環,根據IEA-OES的估計,波浪能的蘊藏量居各類型海洋能之冠,對人類能源需求而言,這不啻是重要的資源之一。另外,波浪遍及整個海洋,雖然隨著海域的不同,波浪能量密度有大、有小,但總是可以依照當地的波浪特性,發展出適當的用途,譬如地中海的波能很小,但義大利仍在那不勒斯港防波堤外側建置越波式波浪能發電系統。因此波浪能可說幾乎是所有臨海國家都能發展與使用的普遍性能源,這個特點是其他類型的海洋能所不及的。再者,從歷史的發展角度來看,目前所知的第一個海洋能發明專利就是波浪能的利用(1799年),出自法國人吉拉德(Girard)父子之手,那已經是220年前的陳年往事了。

圖 1  海洋中波浪無處不在。

        但到了21世紀的今天,波浪能的開發與應用並非是海洋能領域的老大哥。目前潮汐能發電才是海洋能最成熟的技術,其次是海流能發電,波浪能發電僅居第三名,僅些微領先溫差能發電與鹽差能發電。潮汐能發電所運用的原理是海水漲退的位能差,只要在潮差大的海岸築堰堤,即可利用類似陸地上水庫發電的方式,進行大規模的發電。海流發電則運用海水運動的動能,由於海流的水流有比較特定的方向,譬如洋流大方向大致固定,潮流雖隨著潮汐的漲落會有方向上的變化,但大致也以兩個彼此相反的方向為主,所以在發電上可採用類似風力發電的水平軸或垂直軸渦輪機系統,形式較為有限。

        波浪能發電之所以無法邁向商轉,原因很多,以下說明其中幾個。

        第一,波浪能發電形式過於發散,在技術上各有優缺點,卻無一形式集多數優點於一身。波浪是較為複雜的水質點運動,由於實海域波浪的大小與方向皆具有隨機性,因此載體在波浪中就會產生六個自由度的運動,甚至波浪與海中物體的交互作用會有特殊的物理現象或效應,相較於海流發電與潮汐發電單純的特定流向,波浪能的利用顯然相對複雜許多。波浪能的擷取通常是直接或間接選擇六個自由度運動的其中少數幾樣,因此可發想的波浪能發電模式也會有許多不同的形式與組合。早期歐洲海洋能源中心(European Marine Energy Center;簡稱EMEC)對波浪能發電的形式概分為六類(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),後來又增加為八類(前述的六類,再加上鼓-波式和轉動質量式),事實上,該中心的分類尚有第九類「其他」,似乎還有許多無法歸類的形式。舉例來說,在2019年的《歐洲波浪與潮流能國際研討會》中,有學者提出一種利用碎波運動動能來發電的新構想,這並不在上述的八類型之中,顯然就會被歸類在「其他」之中,或者未來在分類上,又新增一類,讓分類的數目再度增加。

圖 2 在波能不高的地中海中,義大利那不勒斯港也可以發展越波式發電系統。

        根據統計,目前波浪能發電的專利全球已超過1000個,各有不同的外型設計與動力外送系統(power take-off system,簡稱PTO)。所謂「動力外送系統」乃指從波能的吸收到轉換成電力輸出之間所需的機構系統,這在波浪能發電中也有許多方式,包括液壓式、空氣式、蓄水式、機械式、以及直驅式等。這麼多的形式導致全球的研發資源過於分散,技術發展相當緩慢。

圖 3  波浪發電系統可以有各種不同形式的發想 。

        其次,目前投資者對海洋能發電裹足不前。事實上,在上個世紀的90年代與這個世紀的前十年,投資者對波浪能發電這種新科技的前景相當看好,資金不斷湧入,部份的原因是投資者對新技術不完全清楚,而當時的開發者確實也過於樂觀,甚至為了爭取投資者的興趣,對技術可行性的評估、發電效率的說詞都不無浮誇之嫌,時間證明了波浪能發電的技術發展遲緩,完全不似早先的預期,加上早期原型波浪能系統的實海域測試大多禁不起海浪的摧殘,相關的測試紛紛以失敗收場,致使投資者的信心大失,紛紛撤資。

        事實上,對發電效率的誇大也是目前國內相當常見的一種現象。系統開發者為了吸引投資者的眼光,常常以某一特定波浪條件下的模型測試結果來說明效率的高超,並掩蓋其他條件下的低效率,但實際海域的波浪是隨機的,真正的海域測試就會揭穿所謂「高效率」的假象。有些則是以不恰當的基礎參數,來推演出其系統的「高」效率。另外,還有些更惡劣的行徑,是用一些似是而非的學理或說法,來誤導、或蒙蔽對系統技術不慎了解的人。

圖 4  波浪發電系統的動力外送系統也有許多種形式。

     當然,波浪能發電系統的開發並非停滯不前,全球各地仍有一些重大的計劃在進行,只是資金的投入更加審慎,技術的研發也更加紮實,只要一步一腳印,前景仍然可期。像是採用轉動質量式的芬蘭Wello第一代「企鵝」波浪能發電系統,在多年測試後,沉入歐洲海洋能中心的測試場,但現在經過改良的第二代「企鵝」已於2019年7月進入測試。AW-Energy公司所開發的WaveRoller(擺盪縱移式),於2019年11月開始在葡萄牙Peniche實海域測試,該公司曾於當年6月先部署變電站,準備併網。澳洲Bombora公司最近募得一千萬歐元的資金,將建造該公司的mWave波浪能發電系統,於2021年底部署於西班牙加那利群島。mWave透過大面積彈性膜的凹凸運動,來推動包覆在系統中的流體產生流動,進而驅動渦輪機發電,是一套無法歸納於EMEC八種基本分類內的系統。