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1. 海洋裡的電力 國立臺灣海洋大學 系統工程暨造船學系 關百宸 副教授/余興政副教授 1
2. 台灣電力發電比例 2 台灣電力公司
3. 電是哪來的 3 2022.07.27 台灣電力公司 台灣智慧型電網產業協會
4. 4 日月潭水位若再降5公尺 將影響「抽蓄水力發電」！ 三立新聞 2021/03/13 23:50:00 天然氣供氣不足 日月潭水力發電救援化解跳電危機 中國時報16:262023/07/22
5. 電費與成本 • 1度電=1000W。H – 1W是”1焦耳/秒” – 1焦耳是用1牛頓的力推1公尺 – 所以一度電等於 • 1度電 = 1000W x 60分鐘 x 60秒 = 3,600,000焦耳 • 60公斤的人爬 6km高的山 = 60x10x6000=3,600,000 • 一度電3.52元~5.66元 (夏日電價) 5
6. 全球海洋能源蘊藏量估計 海洋能源 潮汐能 洋流能 波浪能 鹽差能 溫差能 300 up TWh/y 300(×109) up度/y 800 up TWh/y 8000～80000 TWh/y 2000 TWh/y 10000 TWh/y 6 經濟部
7. 台灣海域環境 • 東海岸 − 太平洋 ( 深度> 5000 m) − 海床坡度可達 1/10 − 岩岸、陡崖 − 潮差可達 1.5 m − 最大波高 > 20 m • 西海岸 − 台灣海峽 ( 深度< 200 m) − 海床坡度最小為 1/1000 − 沙岸、沙洲、濕地 − 潮差可達 5.1 m − 最大波高 > 10 m ~400 km ~150 km Kuroshio 7
8. 台灣海域能源蘊藏量 波浪能 (10 GW) 洋流能 (3 GW) 離岸風能(150 GW) 潮汐能 (1 GW) 溫差能(30 GW) 8
9. 海洋能發電 能量轉換器按設計方式運動 一級轉換：高壓空氣（氣壓）、液壓 （水壓／油壓） 二級轉換：推動渦輪機、液壓馬達， 轉換為旋轉機械能 轉換器受到海洋能的作用 電能輸出 三級轉換：帶動發電機運轉，轉換成 電能 Eco wave power 利用波浪能發電 https://www.youtube.com/watch?v=E7olloHmreE 9
10. 能量的種類 10
11. 能量的形式 • 機械能（勢能／位能和動能的總和） • 勢能／位能 • 動能 • 電能 • 熱能 • 化學能 • 電磁輻射能 • 核動力／核能 • 彈性能 • 聲能 • 光能 • 生質能 力學能守恆 https://www.youtube.com/watch?v=jrRXRcC1raY 11
12. 發電機原理 12
13. 發電機原理 發電機原理 https://www.youtube.com/watch?v=IIkqJMuajz0 13
14. 直流電的產生 14
15. 交流電的產生 15
16. 波浪能發電系統 16
17. 波浪能 • 波浪的主要特性包括波高、波長及週期，在實際的海洋中波浪主要 由風所產生，可視之為由許多不同方向與大小的簡單週期性對稱波 動所組成。 ) kW/m ( 49 . 0 2 e s deep T H P ≈ 波能公式 17
18. 波浪能發電系統 波浪發電 https://www.youtube.com/watch?v=EATm3MVT34Y 18
19. 波浪能發電系統－衰減式 • 衰減式（Attenuator） – 以浮式結構為主 – 機構縱向運動與波浪前進方向平行 – 藉由同方位的上下運動產生的彎折作動， 擷取波浪的能量，推動內部能量轉換裝置 中之工作流體作功發電。 – 同時造成縱向上的波浪因能量被吸收而逐 漸減衰 此類設備將漂浮在海面上與波浪進行 同方位的運動，能降低設備受波浪的 衝擊，並且有效的發電。 19
20. 波浪能發電系統－點吸收式 • 點吸收式（Point Absorber） – 利用單一的浮體隨著波浪上下運動所產生的位移， 進而作功發電。 – 浮筒布置在水面附近 – 浮筒與基座產生對運動 ITRI 點吸收式的設備，屬於漂浮在海表面上隨著全方位表面波浪運動，進而產生電力。 20
21. 波浪能發電系統－衝擊式 • 衝擊式（Oscillating Wave Surge Converter） – 利用波浪往復水粒子的衝擊，進而推動結構物前後擺動，以作功發電。 拍板受到波浪衝擊和水粒子運動，像鐘槌一樣的行為。 21
22. 波浪能發電系統－震盪水柱式 • 震盪水柱（Oscillating Water Column） – 震盪水柱是半潛式的中空結構 – 利用波浪上下運動所產生的推與吸的作用，間接推動結構物內空氣的流動，進而作功發電。 成大先進 OWC 利用波浪上下之運動，帶動空氣上下流動來轉動渦輪進行發電。 Ocean Energy - Wave Power Station (OWC) https://youtu.be/gcStpg3i5V8?t=36 22
23. 波浪能轉換系統－越波式 • 越波式（Overtopping/Terminator Device） – 越波式機具聚集波浪越頂的海水進入貯槽 – 再經由排水孔道以重力排出的水流作功發電 – 在排水孔道中採用的渦輪機一般是傳統的水渦輪機 收集波浪越過結構物的海水來驅動 渦輪機產生電力。 Wave Dragon 23
24. 波浪能發電系統－潛沒壓差式 • 潛沒壓差式（Submerged Pressure Differential） – 利用波浪振動產生壓力差推動座底結構物上下 運動以作功發電 – 通常設置於近岸，坐落於海床 此種設備設置於海床上，依靠波浪上上下下的運動， 產生壓力差進行發電。 24
25. 波浪能發電系統－激突波式 • 激突波式（Bulge Wave） – 激突波式技術由一條充滿海水的橡膠管組 成，正對著波浪運動方向，並錨繫於海床。 – 橡膠管具有一定程度的彈性，海浪拍打的 時候，橡膠管會裡面產生一個激突波。 – 這個壓力波在橡膠管的另外一邊，由一個 鴨嘴閥 (duck-bill valve) 接收，轉換成一個 矯正流 (rectified flow) ，製造出渦輪機上 面的壓力差，進而產生電力。 25
26. 波浪能發電系統－旋轉體式 • 旋轉體式（Rotating Mass） – 機具隨著波浪縱搖、橫搖 – 此運動驅動機具內的離心質量、或是陀螺轉動，帶動發電機發電 2021潔能競賽 大專在地實踐組 佳作 26
27. 潮流與洋流發電系統 27
28. 潮流與洋流 • 潮流（Tidal Current） – 因潮汐所引起的海水水平流動 – 週期性運動 – 在一些潟湖或海灣的出口可造成高速流動 • 洋流（Ocean Current） – 海水的大規模流動，流動方向穩定，是地球自轉、風、 氣溫變化、鹽度變化、以及月球引力的綜合效應 – 地球氣候調控的重要驅動力 潮汐 https://www.youtube.com/watch?v=nOqridc8Feo 潮汐的特性最主要受月球的作用影響，其次是太陽的作用影響。 潮汐的週期呈現每天兩次的漲退週期性變化，且隨著月球、太陽與地球 的相對位置變化，呈現一個月各有兩次的規律性最大與最小的漲退。 28
29. 潮流與洋流發電功率 Cp A 2 1 Power 3 V ρ = 0.45 ~ 0.42 Cp ≈ 轉換功率因子 ρ 海水密度 V 海流進入葉輪前的速度 A 葉輪的圓盤面積 在標準狀態下，空氣、純水與海水的密度值分別 為1.3×10-3 g/cm3、1.00 g/cm3、1.03 g/cm3。 29
30. 潮汐能發電原理 潮汐發電原理 https://www.youtube.com/watch?v=TW9h_Fvc3kY 30
31. 潮汐能發電系統－堰壩式 • 潮汐發電系統分成三種類型（陳維新，2011） 堰壩式(Barrage) • 似壩的結構體橫越盆地出口處，其中有數個閘門或通道使流體流過渦輪機，而 渦輪機的設計乃允許水自漲潮方向流入或退潮方向流出。 31
32. 潮汐能發電系統－圍籬式與渦輪式 圍籬式(Fence) • 發展中的型式，設置不受限於 盆地且設置成本低，但其沉箱 結構卻可能造成海底大型動物 及船隻移動的困擾。 渦輪式(Turbine) • 正在發展中的型式 32
33. 洋流能發電系統－水平軸渦輪 • 水平軸渦輪（Horizontal Axis Turbine） – 藉由海流推動水輪因而帶動聯接之發電機而產生電能， 其運作原理基本上類似於風力發電機同樣的模式， 從運動的氣流中取出能量。 33
34. 洋流能發電系統－垂直軸渦輪 • 垂直軸渦輪（Vertical Axis Turbine） – 從海流中擷取能量的方式類似水平轉軸式渦輪機，但不同的是渦輪機被安裝在一個垂直軸上。 34
35. 洋流能發電系統－文氏效應 • 文氏效應（Enclosed Tips, Venturi Effect） – 將水平軸渦輪機安置於導罩之中；水流加速，提高水平渦輪機效率 – 水流加速，造成壓力差，也可藉以推動空氣中的渦輪機 35
36. 洋流能發電系統－震盪水翼 • 震盪水翼（Oscillating Hydrofoil） – 透過水翼產生升力 – 水翼與一可擺盪的連桿連結 – 連桿帶動液壓系統或直驅式發電機發電 36
37. 洋流能發電系統－阿基米德螺旋 • 阿基米德螺旋（Archimedes Screw） – 螺旋狀機具系統，受到水流沖激時轉動，藉以帶動中心軸旋轉 37
38. 洋流能發電系統－水下風箏 • 水下風箏（Kite） – 繫纜於海床或浮動平台，風箏上裝置輪機 – 受潮流或洋流作用，漂浮於水中 – 分戰鬥式風箏與傳統風箏 38
39. 溫差能發電 39
40. 溫差能發電 • 海水表面溫度約在攝氏20多度，水深1000公尺處僅約攝氏4度。 • 利用水深達1000公尺之冷水管及表層海水與深層海水的溫差與來 進行發電。台灣東部海底地形陡峭，適合此發電法。 • 缺點：資金龐大且冷水管路施工風險高。 • 優點：全年所有時段皆可穩定發電。 40
41. 溫差能發電 溫差發電 https://www.youtube.com/watch?v=6q_moDHUu7M 41
42. 溫差能發電 • A. 封閉式循環系統 • 海水溫差發電時，抽取表層溫度較高的海水(1)，使熱交換機(2)內的低沸點液體 （例如：氨，沸點−33.34°C）沸騰為蒸氣，然後推動發電機(5)發電，再將其導 入另一熱交換機(8)，使用深層海水將其冷卻，如此完成一個循環。 資料來源：維基百科 42
43. 溫差能發電 • B. 開放式循環系統 • 將表層海水(1)引入真空狀態的蒸發槽(2) 中，因低壓下水的沸點極低而沸騰為水 蒸氣，再引至凝結槽(7)，以深層海水(8) 使之凝結為水。此過程中會在蒸發槽與 凝結槽之間因壓力差因而形成蒸汽流， 在其間加上渦輪機(3)即可發電(4)。 另 外，凝結槽中形成之淡水(6)可供使用， 這是它的有利之處。 • C. 混合式循環系統 • 開始時類似開放式循環，將溫暖的海面水引進真空容器使其轉化成蒸氣， 蒸氣再進入氨的蒸發器，使工作流體（氨）氣化來轉動渦輪機發電，如同 封閉式循環一般。 資料來源：維基百科 43
44. 想像力比知識更重要！ 因知識有限，想像力則是無限，它包含一切，推動著進步，為人類進化的源泉。 Imagination is more important than knowledge. For knowledge is limited, whereas imagination embraces the entire world, stimulating progress, giving birth to evolution. ~Albert Einstein 44