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波浪發電國際發展趨勢

分類 | 資訊新知

作者 | 柯鈞瀚(國立中興大學土木工程學系博士後研究員)

關鍵字 | 再生能源、防波堤整合波浪發電裝置

內文:

要成功取得波浪能並有效率的轉換為電能,在技術面上已經不難。尤其是整合了防波堤的波浪發電裝置,在歐洲各國已有許多成功案例。臺灣身處豐富的波浪能源,在具抵擋颱風波浪機制的波浪發電裝置被發明後,我們要考量的已經不是是否該開發波浪能;而是該如何開發。

海洋佔地球表面積約70%,蘊藏豐富的天然資源,其中波浪所擁有的潛在能量每年約有29,500 TWh(IPCC, 2012),超過全球2017年的總發電量約為25,606 TWh (IEA, 2019)。然而,當我們提到再生能源時,浮現在人們腦海中的通常是風力能及太陽能。這些再生能源在各國政府為了減少碳排放以及降低對化石燃料依賴性的政策下,不斷的蓬勃發展。過去幾年間,風能與太陽能的發展已非常迅速,但隨著人口的持續成長,勢必需要另一種具潛力且可靠的再生能源。今年九月,聚集了世界各地專家學者的歐洲波浪與潮汐能會議European Wave and Tidal Energy Conference (EWTEC)在義大利拿坡里(Napoli)展開,會議中提到,波浪能是未來最具有大規模開發潛力的再生能源之一。在世界各國汲汲營營發展新興再生能源的同時,身為海島國家的我們,是否該思考波浪發電在臺灣的發展性。

波浪發電裝置簡介

在思考臺灣波浪能的發展性之前,我們必須先了解波浪發電裝置的種類及工作原理。波浪發電裝置主要可分為震盪水柱式(oscillating water column, OWC)、壓差式(pressure differential)、浮式(floating structure)、漫頂式(overtopping)、波浪震盪衝擊式(oscillating wave surge)。然而,雖然已有眾多的波浪發電裝置被發明,但真正商轉的項目卻寥寥可數。

其中震盪水柱式波能擷取裝置(簡稱OWC裝置)的發展已相當成熟,其構造單純且易於作各式整合及設計,因此受到許多專家學者所推崇。典型的OWC裝置具備部分沉沒於水中的艙體(圖1見PDF),艙體的前壁下部具有開口,允許水體進入;上半部為封閉的氣室,唯一的開孔連接著風渦輪機。當波浪入射至OWC裝置時,會引起裝置體內的水柱震盪,帶動氣流自氣室開孔處來回流動,進而推動風渦輪機,而此渦輪機將帶動發電機產生電能。

國際上波浪發電發展趨勢

而與防波堤共構的震盪水柱式波浪發電裝置(Breakwater-integrated OWC wave energy converter)具備低建造成本(可與防波堤之成本分攤)、易於維護(無須海上作業)及易於保養(無任何海下須維護之機械)等特性,已廣受歐洲各國推行。例如義大利已將防波堤式波浪發電裝置應用於港埠設施中,目前已有三座全尺度的波浪發電裝置,其中REWEC3為國際上非常具代表性的防波堤整合震盪水柱式波浪發電裝置,該裝置於2014年在義大利羅馬近郊的Civitavecchia港開始建造(圖2見PDF)。此外,目前REWEC3更於義大利Salerno港區防波堤延伸段中進行整合 (圖3見PDF)。除對於波浪發電裝置本身進行研發外,義大利相關專家學者更針對發電設備進行研發,例如利用介電材料(DEG)取代風渦輪機 (圖4見PDF),說明了義大利發展波浪發電的決心。

除義大利外,值得一提的是位於西班牙Mutriku港的防波堤整合式波浪發電裝置 (圖5見PDF)。該裝置於2009年建造完成,是世界上第一座商轉的防波堤式波浪發電系統,具備16座威爾斯渦輪機共296 kW的發電功率,自2011年以來已發電1.77GWh(IEA, 2018),穩定提供附近漁港5,000位居民的民生用電,非常適合臺灣借鏡。

除歐洲各國外,韓國研究單位Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering (KRISO)也在發展適用於島嶼的防波堤整合式波浪發電裝置,該裝置自2016年已開始進行重點研究,預計於2021年開始建造示範機組於南韓濟州市的楸子群島(Park et al., 2019)。

臺灣的優勢

四面環海,這四個字幾乎為每個國民介紹臺灣地理環境時的第一個詞彙。目前臺灣已具備國際商港7座,工業專用港2座,也有許多不勝繁數之漁港。隨著經濟發展,港口的擴建、整修亦或是未來興建專用港時(如:天然氣接收站、LNG專用碼頭等……)皆須有外廓防波堤作為港內之水域靜穩。如能在設計及建造防波堤時,整合波浪發電裝置,除能遮蔽波浪外,同時具備發電之功效,結合綠色能源開發之概念,完全是一兼二顧的多功能建設。義大利西岸之海象溫和,平均波能量約為5~10 kW/公尺且遠小於臺灣;而本國臺中港年平均波能量約為19.7 kW/公尺,冬季波能量更可達37.4 kW/公尺,說明了臺灣在波浪能的蘊涵量上,有著很好的優勢。

不論在今年EWTEC會議中,或是文獻報告上都提到,各波浪發電的技術面發展已經趨於成熟,各國政府應就自身天然環境,適度調整的發電裝置的設計,並盡早完成示範場址及機組,增強市場信心,加速波浪發電商轉換的速度,才能避免在未來太陽能發電、風力發電發展遇瓶頸時,發生再生能源的成長斷層。綜合以上,有以下建議給各界參考:

一、波浪潛能調查:以往臺灣評估波浪潛能大多以離岸之能量為主,而沿岸才為波浪傳遞之終點,如能找出波浪集中之熱點,對於波浪能廠址的開發,能有非常大的幫助。

二、發展最適臺灣之波浪發電關鍵技術:臺灣本身波浪能蘊含量高,以技術面來講,要成功取得波能量並有效率的轉換為電能,已經不難。然而,臺灣每年約遭遇3.5次至4次的颱風侵襲,要發展適用於臺灣的波浪發電裝置,就必需具備抵抗暴風波浪衝擊的機制,才能真正產生效益。國立中興大學研究團隊刻正與台電公司合作研發適用於臺灣的新型波浪發電裝置(Tsai et al., 2018),或可提供發展參考,其特殊的結構設計能夠在一般季風波浪條件下提高所擷取的波浪能量,增加波能轉換的效率;在颱風來臨時,又能夠削減波浪能量,提高裝置的安全性。依初步的研發成果顯示,該裝置搭配適當的波能熱點位置,其平均可發電功率達約35kW/公尺,這相當於1公里防波堤即可達到約一座臺中風力發電廠的裝置容量(36MW),非常可觀。

結語

波浪發電之所以受到重視,除了本身為再生能源外,波浪的可預測性、可用開發場址多鄰近於人口稠密區域(世界上90%的人口住在離海岸90公里內),皆使波浪能被喻為近年來最值得發展的再生能源選項。臺灣身處豐富的波浪能源下,我們要考量的已經不是是否該開發波浪能源;而是該如何開發。

(圖文完整版請至首頁下載全文PDF)

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