海流能

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海流能是一種利用海洋的海流(洋流),即海水流動的動能來產生電力。由於海流能規律性強、能量可預測、不同期間的發電量較穩定,加上不占用陸地面積、不影響景觀,對海洋生態影響有限,雖然目前沒有商業化應用的案例,海流能仍是未來深具發展潛力的一個可再生能源來源。[1]

海流能原理[编辑]

太陽的能量為海流產生的主要驅動力,太陽的能量在地球上各水域,不均勻的分布形成溫差,由於海水密度的差異而導致海水流動。隨著深度的增加,海水流速降低,甚至下層海水與表層海水流動方向相反。另外,地形潮汐、陸地河水的流入、鹽度的區域差異,以及由於地球自轉引起的科里奧利力等其他因素也會影響海流。

海流可以攜帶大量的能量,藉由測深學,可以測得流速增強海流的地點,主要出現在島嶼和大陸之間的海峽,或是海岬周圍淺水區中的水下地形。增強流速對於海流能的主要作用,在於提供顯著的動能以供發電。[2]

海流的動能可以使用發電機截取能量,其運作的原理類似風能風力發電機。可以利用具備增強的流速的地點,部署發電機以截取洋流的能量。[3][4]

發展歷程[编辑]

第一次石油危機之後,在1970年代中期,海流作為能源來源的可能性開始受到關注。1980年代,有許多評估海流能發電的小型研究計畫。主要研究國家為英國、加拿大和日本。1994至1995年間,EU-JOULE CENEX計畫標出歐洲超過100個潛力地點,各地點其面積介於2至200平方公里,其中許多地點的功率密度超過10 MW/km2。英國政府和歐盟均致力於推出因應措施,以面對全球暖化相關的國際公約。海流能發電有潛力可以提供大量的可再生能源電力,針對前述超過100個潛力地點的潛能預估,年發電量為50 TWh。如果可以有效開發,將成為21世紀清潔能源的重來來源之一,並發展出新興產業。[5]

現今相關的應用可以參照:潮汐能發電站列表英语List of tidal power stations。參考潮汐能的主要原因為,潮汐能對海流能相關程度高,許多海流能的潛在地點亦具有豐富潮汐能。[6]

日本IHI公司(舊稱:石川島播磨重工業)在2017年完成了100kW等級的「かいりゅう」測試機組,與新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)合作在鹿兒島縣口之島進行實證研究。[7]

海流能潛能[编辑]

估計全球海流能總功率約為5,000GW,但大部分的海流能量是難以被利用的。在佛羅里達海峽表面的洋流流速穩定,較具開發潛能,其能量密度約為每平方米1千瓦(1kW/m2)。流經佛羅里達海峽的墨西哥灣流流量是世界上所有淡水總流量的50倍、能量為尼加拉大瀑布的21,000倍。只要截取其千分之一的能量,可以提供佛羅里達州35%的電力需求。對海流能技術感興趣並尋求應用的國家包括歐盟、日本和中國。[8]

海流能發電潛力巨大,與其他可再生能源相比,有幾個因素可以使海流能發電相對吸引人:

  • 資源的可預測性。與太陽能風能相比,海流能規律性強,能量可預測,不同期間的發電量較穩定。
  • 不占用陸地面積。海流能發電設備置於海平面之下,不影響景觀,對海洋生態影響有限。[9]

海流能發電技術[编辑]

圖示:類似風力發電的發電機用於海流能發電

設計概念[编辑]

有幾種可在開闊水域應用的裝置,可做為海流能發電之用;其中大部分的概念都源自於水車或類似構想。海流能發電機的葉片設計類似風力發電,可依照旋轉軸的方向,區分為「水平軸型」與「垂直軸型」,以及不是透過葉片旋轉,而是透過震動的「振動水翼型」三類。

水平軸型[编辑]

發電機的旋轉軸面對海流(旋轉軸與海流方向平行),通常使用兩個或三個葉片,螺旋槳造型類似一般常見的水平軸風力發電機

垂直軸型[编辑]

發電機的旋轉軸與海流方向呈90度(旋轉軸與海流方向垂直)。

振動水翼型[编辑]

水翼的角度隨著海水的流動而變化,引起升力和阻力擺動水翼,帶動發電機產生電力。

安裝河流,用以獲取能量的大流士(Darrieus)螺旋式(垂直軸型)發電機,此技術概念也可用於海流能

支撐系統[编辑]

讓海流能發電能固定於海中,不受波浪海流等而旋轉、傾斜或位移的支撐系統均可以選擇以下三種之一:浮動繫泊、海床安裝,以及介於兩者之間。安裝於海床的單樁(Monopile)結構具有工程技術相對成熟的優勢,但應用範圍僅限於相對較淺的水域(約20至40米深);若採用浮動繫泊系統,雖然已普遍用於石油工業,作為風力發電應用的浮體式離岸風力發電也快速發展中,但若用於海流能發電,技術相對仍較不成熟。[4]

海流能的環境影響[编辑]

海流的存在,有助於穩定世界許多地區的氣候,雖然海流能發電對於減少洋流能量的比例甚小。但若長期設置海流能發電設備,對於環境的影響為何尚不可知。發電設備中,旋轉的葉片、發電機均會產生震波,對於依賴洋流生活的海洋生物可能造成影響。另外,由於設置地點可能離陸地較遠,需要更長的電力電纜,其電磁波對於海洋環境也可能造成影響。美國能源部Tethys資料庫英语Tethys database提供與海洋能環境影響相關的科學文獻和一般信息。[10]

參見[编辑]

參考文獻[编辑]

  1. ^ Ocean currents. How Stuff Works. [2010-11-02]. 
  2. ^ Bahaj, A. S. Marine current energy conversion: the dawn of a new era in electricity production. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2013-01-14, 371 (1985): 20120500. Bibcode:2013RSPTA.37120500B. ISSN 1364-503X. PMID 23319714. doi:10.1098/rsta.2012.0500. 
  3. ^ Saad, Fouad. The Shock of Energy Transition. Partridge Publishing Singapore. 2016. ISBN 9781482864953. 
  4. ^ 4.0 4.1 Ponta, F.L.; P.M. Jacovkis. Marine-current power generation by diffuser-augmented floating hydro-turbines. Renewable Energy. April 2008, 33 (4): 665–673 [2011-04-12]. doi:10.1016/j.renene.2007.04.008. 
  5. ^ Hammons, Thomas. Electricity Infrastructures in the Global Marketplace. BoD – Books on Demand. 2011. ISBN 978-9533071558. 
  6. ^ Energy, Team Crowd. Marine Current Power. CrowdEnergy.org. [2019-04-29]. 
  7. ^ 世界初,実海域において海流発電の100kW級実証試験を実施へ ~新たな再生可能エネルギー技術「水中浮遊式海流発電」実証機が完成~. IHI. [2017-07-07] (日语). 
  8. ^ Minerals Management Service Renewable Energy and Alternate Use Program U.S. Department of the Interior. OCEAN CURRENT ENERGY POTENTIAL ON THE U.S. OUTER CONTINENTAL SHELF. [2019-05-29]. 
  9. ^ Bahaj, A.S.; L.E. Myers. Fundamentals applicable to the utilisation of marine current turbines for energy production (Article). Renewable Energy. November 2003, 28 (14): 2205–2211 [2011-04-12]. doi:10.1016/S0960-1481(03)00103-4. 
  10. ^ Ocean currents. TETHYS. [2019-09-01]. 
  11. ^ 亞太海洋中心介紹. 國立中山大學. [2014-02-19].