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海洋新能源─懸浮點吸收式波浪發電技術

2015/07/05 經濟部能源局 點閱人次: 1065

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文字、圖片提供/經濟部能源局

我國具波浪能開發潛力,若加速研發將可於2025 年為我國再生能源做出貢獻,經濟部能源局扮演領頭羊,投入波浪發電系統研發,並結合業界與學界,整合多領域技術進行機組開發,開啟國內波浪發電產業之契機。

波浪開發潛力

波浪能係由太陽能轉換而來,由於太陽輻射及地球自轉等原因而形成風,海洋因風力作用而產生波浪。我國波浪高潛能區之能量密度大於10kW/m以上,具潛力場址分布在東北角、雲彰隆起與澎湖海域,初步估計波浪發電開發潛能為2.4GW(十億瓦)。

全球發展現況

目前全球尚無可商業化之波浪發電機組, 仍處於海上測試與示範階段,歐洲海洋能源中心(European Marine Energy Center, EMEC)有多座百kW( 瓩) 級機組進行測試中, 分別為Pelamis(750kW)、Oyster 800(800kW)、Oy_Penguin(500kW)、Oceanus(800kW)。瑞典Seabased 開發25kW 與50kW之點吸收式波浪發電機,正在建置全球最大10MW(百萬瓦)波浪發電廠。根據國際能源總署海洋能源系統(IEA-OES) 評估, 波浪發電之發展於2020年前屬商業化前期,2019 ∼ 2025將開發小型商業化電廠,2025 ∼ 2030年後邁向大型化電廠開發。

發展懸浮點吸收式波浪發電技術

波浪發電的原理簡單來說就是利用波浪運動之位能差、衝擊力或浮力差轉換為機械能,再驅動發電機進行發電。全球波浪發電型式包羅萬象,經考量海域條件與施工能量後,我國選定發展懸浮點吸收式波浪發電系統(FPA,Floating Point Absorber),其主要優點為(1) 懸浮式適用在20 ∼ 50公尺水深、(2)圓型浮筒設計不需對波、(3)錨定系統佈放工程較簡單。

經濟部能源局委託工研院研發逐步進行放大尺度的開發與海上測試驗證,已由kW級發展至20kW級,更加入創新技術精進機組性能,目前已完成新一代之20kW波浪發電系統開發,即將邁向海上長期測試驗證。

我國首座20kW點吸收式波浪發電系統

機組採模組化設計,包括浮筒模組、運動模組、延伸模組與穩波模組(詳圖1),並且搭配錨定系統限制機組運動範圍。外型設計概念為包含一具有相對運動端直徑6公尺圓柱形上浮體與具有相對穩定作用的下浮體;下浮體底端設計為對角寬度7.8公尺六角形平板,可產生較大之流阻力,以抑制下浮體運動振幅,提升上、下浮體的相對運動量。機組的核心也就是銜接上下兩浮體之能量擷取系統(power take off, PTO),其功能為將浮體所傳遞進入之能量轉換為可用電能(圖2)。

2013年完成第1代機組開發與基隆外海測試(圖3),於東北季風作用下進行測試,可以滿載發電,最大瞬時發電量高達30.69kW,每小時最佳平均效率84.73%,已初步達到設計目標。藉由該次測試,重新檢視機組性能與安全性,並著手進行第2代機組之精進改良。

第2代20kW波浪發電機組改良重點為提升機組性能、製程維護便利性與佈放安全性,整座機組總長度16公尺、上浮體直徑6公尺、總重量71.8公噸,浮體最大吃水深度由13.5 公尺降低至11.5公尺,在結構上進行弱點強化後抗浪強度提升29.7%。機組更應用智慧型控制來提高浮體擷能效率,預估滿載發電時數可達3千小時以上。2014年底機組下水啟用後(圖4),佈放於高雄外海,進行10天之海上功能與結構強度測試,顯示機組結構安全無虞。

機組回拖後進行必要的維護與調整,即將於基隆外海進行海上長期測試來驗證機組,更將藉由機組海上成功發電來宣示波浪發電技術之重大突破。

讀者如在這議題上有興趣可參閱下列參考文獻進一步瞭解:

1. 財團法人工業技術研究院,海洋能源系統及關鍵元件技術開發計畫,經濟部能源科技研究發展計畫,100 - 101執行報告。
2. 財團法人工業技術研究院,海洋能發電系統研發計畫,經濟部能源科技研究發展計畫,102執行報告。
3. 財團法人工業技術研究院,海洋能發電系統研發計畫,經濟部能源科技研究發展計畫,103執行報告。
4. International Energy Agency, Implementing Agreement on Ocean Energy Systems(IEAOES),Annual Report 2012.(http://www.ieaoceans.org)
5. International Energy Agency, Implementing Agreement on Ocean Energy Systems(IEAOES), Annual Report 2013.(http://www.ieaoceans.org)
6. International Energy Agency, Implementing Agreement on Ocean Energy Systems(IEAOES), Annual Report 2014.(http://www.ieaoceans.org)


關鍵字:波浪發電,海洋能

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