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海洋狂想—2015全國海洋能源創意實作競賽

2015/12/05 經濟部能源局 點閱人次: 566

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文字資料、圖片提供/國立臺灣海洋大學風能與海洋能教學聯盟中心 整理/曾君儒

自2011年起,國立臺灣海洋大學「風能與海洋能教學聯盟中心」(前「海洋能源科技人才培育資源中心」,以下簡稱聯盟中心)就開始舉辦海域能源發電相關競賽,透過每年不同的競賽主題,提供學校實驗室設備供參賽隊伍使用,讓青年學子能將課本知識與實作結合,達到學以致用的效果。為了向下紮根,培養未來綠色能源科技人才,今(2015)年更增加國中與高中組的海洋能源競賽,同時還辦理了教師講座與訓練營等,提供各級教師於教學時必要的技術協助。

百家爭鳴的最好時代

聯盟中心表示,海域能源(包括離岸風能與海洋能)發電系統的開發,具有「嚴峻的科技挑戰」與「複雜的系統整合」兩大特性。

從工程的角度而言, 海洋的環境非常惡劣,海水的運動擁有相當大的能量,對工程結構體有很大的破壞力量;海水中含有各種化學物質,容易造成腐蝕,對結構體帶來嚴重的傷害;海水的密度高,工程結構體在深海水域必須承受相當大的壓力;更不用說居住在海中的各種浮游生物, 也會導致海域表面附近的工程結構形成積垢(fouling) 問題,這些都會為建造在海中的工程結構體帶來存活性(survivability)、維護性(maintainability)、可靠性(Reliability)、技術可行性(Technical feasibility)等諸多的科技挑戰。

一套完善的海洋能源發電系統,需要多面相的整合,其中涉及能源的擷取與轉換、發電的方式、電力的傳輸、電網的聯結、技術與成本壓力、環境的衝擊等,如何提升整體系統的效率、可靠度、可安裝性、經濟性都是需要持續面對與克服的議題。基於科技挑戰性與系統整合性的兩大因素,海域能源發電系統的設計與發展尚未定於一尊,這也正是創意研發的最有利環境!

因此風能與海洋能創意實作競賽,就是希望培育新興人類開放思想、跳脫框架、大膽前瞻海域能源發電的各種可能性,以作為培育年輕學子的工程系統整合觀念與團隊合作態度,透過競賽的方式,讓新一代勇於面對深具挑戰性的海洋新科技,思考永續運用海洋資源的能力。這次的競賽,聯盟中心鼓勵參賽學生提出具創新性與產業應用性之風能、波浪能與洋流能轉換器,設計包含錨碇、基礎系統與能量轉換裝置等技術應用主題相關之實作專題,接下來,就讓我們一起看看這次海洋能競賽的得獎隊伍和他們的作品!

國中組冠軍─波浪衝擊發電

「Super ! Super !」隊伍表示,他們以前人的創作構想為基礎,透過化繁為簡的改造計畫,創造出更好的發電裝置。參賽作品以產出最大電能、減少電能輸送損失、方便維修等3個方向為構想,因此選擇了波浪衝擊式發電作為基礎,另加製擋波板以增加發電效能,並將發電機具安置於岸邊。

他們的作品〈superwave〉,是在原本的波浪衝擊式裝置下方增加了1塊45度角的擋波板,並將superwave放置岩岸的沿岸,運用海洋深處往上湧流動的波浪,當波浪遇到擋波板時會產生向上的作用力,來帶動推拉板使其前後擺動,進而牽動推拉板上的連接管,連接管透過擺動讓內部的磁鐵和線圈產生磁力線切割產生電流,完成發電的功能。相較於舊式的波浪衝擊式發電裝置,superwave最大的不同之處是設置於近岸,這樣一來,維修與保養的工作便容易許多,發電機組也省去了昂貴的防水材料,連維修經費也能大大下降;也因發電機搬到近岸,縮短了發電機組與發電裝置的距離,減少電力在輸送過程中的電能耗損,達到有效運用海洋能的目的。

高中組冠軍─震盪式虹吸發電

「很熱對不隊」隊伍的參賽作品,是以震盪水柱式配合著虹吸原理為概念製造的,以波浪的上下震盪所產生的位能,在發電裝置前後產生的高低差進行虹吸,並匯集且導入文氏管以增加發電功率,發電裝置的上頭有個開口是讓氣體進出並通過威爾斯螺旋而產生發電的功能,放在發電裝置前方水底的升浪板,是用來讓波浪遇到斜面會揚起更高的浪,藉此來增加虹吸作用的成功率,也能使震盪的空氣柱排出(或吸入)更大量的氣體,產生更大的效能。

升浪板主要是將打過來的浪做進一步的提升,將浪調整到發電機組所需要的高度,達成期望發生的效果,振幅加大,會讓水在空氣柱裡面升高幅度變大,當空氣柱中的水柱升高時,會推動柱內的空氣推動上方的扇葉旋轉,並帶動發電機發電(風力),而水則從管中進入為下一次發電做準備。

水位升高到一定高度的同時,「很熱對不隊」小組使用了文式管的原理讓水出來後能增加流速,從後方出來後,水流進導管中進行虹吸現象,虹吸現象是以多個細管一起虹吸,之後匯集入一大管,大管上也裝有文氏管可增加流速,文氏管中的旋葉可進行第二次發電(水力)。

大專組冠軍─磁場線圈雙動式渦輪海流發電

「逆轉勝」隊伍作品的設計理念,係以葉片轉動的動能轉成電能。主要針對磁場線圈雙動式渦輪流體發電機進行設計,透過線圈軸與磁場套環在同軸上,利用4個軸承,讓葉片跟著圓周在軸心旋轉,在不同轉向下進行發電,依照葉片的攻角、數量、大小、入流與出口之間距離而進行設計製作。

尺寸部分設計;前者葉片小、後者葉片大,機構方面在磁場軸上加裝可旋轉的軸套,而軸套內加裝塑膠軸承防止生鏽,運轉主要藉由流體流過葉片;依照攻角相反,分別在磁場套環與線圈軸上各自旋轉。效率方面以傳統水平軸渦輪發電機為單葉片旋轉,利用發電機轉軸轉動。本作品為雙葉片渦輪發電機,最大的不同在於發電機上有兩組串列相互反轉的葉片,此流體流過葉片之轉換功率比一般傳統式葉片效率高,一般發電機在流體速度較低時,葉片轉速會下降,致無法有效進行發電,本作品適合低速的流體發電,並可降低轉速,並有效地用於海洋與風力等流體之發電方面,期待未來持續改良後,將具有相當好的開發潛力。


關鍵字:海洋能,再生能源,風能與海洋能教學聯盟中心

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