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滔滔白浪如何轉換成電能?

2021-05-19

 

陳建宏 教授

國立臺灣海洋大學

 


波浪是能量傳遞的現象,也是複雜的水質點運動,不論是波高、前進方向、或是週期都具隨機性,因此任何水面上的載具,都會因波浪作用之故,產生六個自由度的運動。這麼複雜的運動,我們如何從中擷取能量,轉換成人類恐需的電能呢?

複雜的波浪運動帶給人類許多發想的空間,許多不同的形式和構想就這樣問世了,而且顯然還沒完沒了,更多的創新發想還繼續在誕生之中。對於這麼多種的形式,就有許多的分類方式,其中最為人所知的乃是歐洲海洋能中心(European Marine Energy Center;簡稱EMEC)的分類,該中心根據運轉方式,把波浪能轉換器分為九種類型,包括波浪削減式、點吸收式、波浪擺盪衝擊式、振盪水柱式、越頂式、沉浸壓差式、蛇形波浪式、轉動質量式、以及其它不屬於上述八類的形式,讀者若有興趣,可前往該中心網站細看(http://www.emec.org.uk/marine-energy/wave-devices/)。

為說明波浪能的擷取原理,在本文中,我們將把上述的九類整合成三大類,分別為使用位能、動能、以及機械能。在說明之前,我們必須指出從波浪能到電能,中間通常需有幾道的轉換程序,首先是攔截波浪、接著擷取其中的能量、再逐步轉換成電能,我們這裡所討論的僅侷限於波浪的攔截與能量的擷取。

第一類是使用位能,基本的代表形式是越頂式。如圖1所示,越頂式的波浪能轉換器涵蓋斜坡結構物、貯水槽、以及低水頭的渦輪機。透過斜坡結構,波浪漫上,進入貯水槽,貯水槽把漫入的水暫時儲存起來,創造出水位落差,因此水可從一個裝有渦輪機的水道流出,帶動渦輪機,繼而轉動發電機發電。這種方式類似平常看到的水力發電,是一種非常成熟的技術,因此開發的成本和風險都不高。

圖1 利用位能發電的模式(越波式)。

第二類是使用動能或壓力能,基本的代表形式是振盪水柱式。如圖2所示,振盪水柱式的波浪能轉換器是由一個中空的半潛式結構體建構而成,此結構體可以是浮動式、坐底式、或是岸基式,水沒入結構體的下半段,形成一個水柱,而自由液面上方則一個氣室,當波浪來時,水柱會跟著上下震盪,藉此推動中空氣室內的空氣從結構體上方開口進出,於是在開口處形成一股氣流,推動裝置於該處的渦輪機旋轉,進而帶動發電機發電。若中空氣室經過適當的設計,水柱的震盪會產生共振,提高氣流速度,進而提升發電能力。

由於震盪水柱形式的結構體(通常是鋼筋混凝土構造)可以供適當的保護,而發電系統又通常建置在空氣中,因此整個發電機系統比較不畏極端天氣,這是目前比較成熟的波浪能發電形式,許多應用多半結合防波堤。

第三類是使用波浪的機械能,種類包括EMEC分類中的其餘各類,如點吸收式、沉浸壓差式、波浪削減式、波浪擺盪衝擊式等;與上面兩類不同的是,這些系統直接與波浪接觸,並透過波浪機械能的作用,使系統組件之間產生某幾個自由度的相對運動,然後發電機系統就透過這些相對運動來發電。

圖2 利用動能發電的模式(震盪水柱式)。

我們以點吸收式波浪能轉換系統的發電為例來說明。點吸收式轉換器有兩個組件,一個是動件,另一個是不動件,前者是浮在水面上的浮筒,後者則是固定在海床、或是錨繫在水下的支撐結構體,內裝設有發電系統,兩者透過連桿或其他套件相連,如圖3所示。浮筒在水面上隨著波浪的起伏上下運動(位能與動能交換),就形成與下面固定不動的支撐結構體之間的相對運動,此等相對運動就可用來推動不動件內的發電系統來發電。

點吸收式波浪能轉換系統的特色是:其特徵長度遠小於波長,波浪通過的方向對此等機組並不敏感,因此可以吸收各個方向的波浪能量,這也是此等系統的優勢。根據理論推導,對於對稱的點吸收式轉換器,最高的擷取量是50%;而若適當地設計成不對稱的系統,則最高擷取量可達100%,英國愛丁堡大學Salter教授的點頭鴨波浪能轉換器具在實驗上證實了此一理論推導。

圖3 點吸收式的波能擷取模式。

再舉波浪擺盪衝擊式轉換器為例,同樣的,此等系統也有一個動件和一個不動件,前者是一片板子,後者則是固定在海床上的結構體。當波浪入射時,板子就隨著波浪前後擺盪(如圖4所示),和固定的結構體產生相對運,推動連桿,進行類似模式的發電。這片板子的設計對波浪能的擷取量具舉足輕重的地位,相關的參數包括板子的幾何形狀、重心位置、重量等,如果能根據在地波浪特性,進行最佳設計,並匹配發電系統的特性,最高的擷取量可達50%。

圖4  波浪擺盪衝擊式的波能擷取模式。