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2017-08-01臺灣的海浪發電仍大有可為
428 期
Author 作者
周鑑恆／任職於萬能科技大學，專長為物理教育與海浪發電，中華民國物理 教育學會理事，科學月刊編輯委員。
海浪發電的方興未艾
根據歐洲海洋能源總署（European Marine Energy Centre, EMEC）之分類，目前發展中的海浪發電機大致可分為：水柱震盪式 （Oscillating water column）、點吸收式（Point absorber）、波浪衰減式（Attenuator）、越頂式 （Overtopping device）、浪湧擺盪式（Oscillating wave surge converter）、沉潛壓差式（Submerged pressure differential）以及不容易歸類的其他。僅就類型而言，已經是五花八門，而各種設計則令人眼花撩亂。但是，至今尚無任何海浪發電機成功商業運轉。換言之，偌多海浪發電機竟然無一實用，到底是何原因呢？
首先必須注意的是，海浪能源迥然不同於化石能源以及其他綠能（例如：洋流、海水溫差、風力、地熱、生質能等）。姑且不論，燃燒化石能源，可以透過極其成熟的熱機，穩定驅動發電機發電；即便使用風力、洋流、潮汐、太陽能等綠色能源，在一段較長的時間內，也能夠相當穩定地驅動發電設備來發電。但海浪獨樹一幟，它是一波一波傳來的能量，波形差異不小，既有別於單純的正弦波，又會隨時間變化；且海浪波高變化明顯；週期（波長）和很有限的同調長度（coherence length），也都不是定值。
相較於太陽能、風能，海浪的能量密度較高，晝夜不停，持續時間長，但海浪的特殊行為造成設計海浪發電的重大困難，在研發海浪發電時，無論如何必須正視海浪這樣的特性。
從基本原理談關鍵難點
問題出在極基礎的功–能原理。功是指傳 遞的能量，甲物體施力於乙物體，而對乙物體做功，將能量傳遞給乙物體，在此同時，乙物體的動能當然會增加，而施力的甲物體之能量會減少，可以公式表示如下：
這公式的完整翻譯是：消耗甲物體之能 量-dE甲，對乙物體做機械功W，等於所施的力 F內積施力期間乙物體的位移量dr，最終 變成乙物體之動能增加量dK。
再進一步可得到功率的公式（圖一）如下：
意思是：甲物體（例如，海浪）對乙物體（例如，海浪發電機中用來獲得海浪能的物體，姑且稱之為取能浮體）做功的功率P，也就是海浪傳遞能量給取能浮體的功率，等於海浪施加取能浮體之力 
內積施力 期間取能浮體之速度
。
如果取能浮體俯仰轉動（圖一），公式可進一步改成：
τ為海浪施加於被取能浮體的力矩，τ是被 取能浮體在受到力矩時的轉動速度。而P則為做功（也就是能量轉換）的功率。這是非常基本的物理原理，但卻是能源技術的重要關鍵。
圖一：取能浮體獲得能量之功率，決定於速度（角速度）與力（或力矩）的乘積，但海浪發電時，速度（角速度）與力（或力矩）的關係卻十分複雜，於是功率不容易掌握。
值得注意的是：海浪對「取能浮體」所施加的力
或力矩τ（時有時無），與「取能浮體」當時的速度或角速度ω(t)（在海浪發電的情形，方向不定，大小激烈變化），要同時存在，才存在海浪做功的功率，取能浮體才能獲得海浪的能量。如果轉動速度為零ω(t)=0，則無論力矩大小，功率為零，亦即被做功的物體沒有獲得能量。必須要力矩和轉速同時都不為零，並且達到最佳值，做功的物體（海浪）才能將能量高效率地傳遞給被被功的物體（取能浮體）。
海浪恰巧具備幾項妨礙其對「取能浮體」做功的特性，例如：同調性差、作用力時有時無、而作功浮體之速度或角速度間歇性地為零、頻率也不固定，力（或力矩）與速度（或角速度）要同時在同一方向達到最佳值，以根據P(t)=τ(t)‧ω(t)獲得更大的功率與效率，這樣的條件非常不容易滿足。即這樣的條件滿足了，有了高效的能量轉換，又須要怎樣的發電機能再轉換這樣凌亂的能量成為電能呢？
為了在取能浮體受力時，能夠有較大的加速度，儘快使得取能浮體的運動方向與海浪的施力方向一致，並達到適當的最快速度。取能浮體的質量與慣量都要小，以免取能浮體受海浪力量時，因其慣性保持原有之運動狀態，來不及回頭或來不及增加速度（延伸閱讀一）。
取能浮體連接任何較重的零件（例如活塞、連桿、齒條、齒輪）時，均會增加其慣性，減小其能量轉換效率。此外，能量轉換的過程太複雜也會明顯降低其效率。
其他能源之發電機 為什麼沒出現這問題？
（1）蒸汽渦輪機
無論任何使用天然氣、煤或核能加熱，產生高壓蒸汽推動蒸氣渦輪機開始轉動時，渦輪轉動的速度ω從零慢慢加速。因為起先ω為零，即使蒸汽施加的力矩不是零，但蒸汽在此刻並無對蒸汽渦輪機做功。待渦輪愈轉愈快，如果蒸汽施加的力矩，大小雷同，蒸汽對渦輪做功的功率才愈來愈大。
因為蒸汽長期穩定提供力矩，無論渦輪的質量大小以及其加速度的大小，渦輪經某一段時間後到達設計的轉速。蒸汽渦輪持續維持相當快的轉速，高壓蒸汽沖動各個渦輪葉片提供力矩，於是對蒸汽渦輪做功，根據 P(t)=τ(t)‧ω(t)，蒸汽最終會對渦輪以設定的功率做功。
雖然在加速的這段時間，特別是渦輪轉速為零或轉得很慢的時候，功率不佳，但這情形只出現在初始，之後即無此問題，故並不重要。
（2）汽、柴油引擎
利用具有類似飛輪功能的曲軸之慣性或是搭配其他汽缸活塞的動力衝程提供動力，使汽、柴油引擎的曲軸維持高速轉動。雖然有時候某些汽缸中的活塞並沒有對曲軸施力矩；而活塞對曲軸施力矩也常是單方向只持續一小段時間，且若干次排氣吸氣衝程之後，才又來一次動力衝程（點火爆燃）。重點是：曲軸使終維持高速轉動，在點火燃燒、加壓活塞的間歇做功中，還是很有效率地把能量傳給曲軸。
即使引擎轉速改變，藉由正時點火的裝置，使得迅速燃燒後的高壓氣體，總是能適時透過活塞與連桿對曲軸做正功，亦即所產生的力矩和始終轉動的角速度，間隔可變的時間間隔，總是能間歇地對曲軸做正功，使得被做功的物體（曲軸、渦輪）的質量和加速度的問題消失於無形。
著名海浪發電機的設計盲點與實例解析
但海浪發電的情形就不同了，同樣的公式，同樣的做功原理，其中：被海水做功的物體（即取能浮體）之ω和τ，兩者都是間歇的。
出現τ的時候，ω未必有，亦即取能浮 體未必正在轉動；取能浮體如果正在轉動，也未必與力矩同向（τ和ω方向相反， 海浪將對取能浮體做負功）。因為海浪凌亂的運動方式，與一般常用發電機之運轉方式大相逕庭，所以世界各地的設計理念（圖二），多企圖先用機械的方式，將凌亂的海浪能，轉換成穩定的機械能，再利用穩定的機械能驅動發電機發電。這樣的設計造成兩項嚴重的學理問題：⑴ 能量轉換的過程太冗長，效率必然低下；⑵ 不知不覺地使取能浮體的質量和慣量都太大，因上述的理由，大幅減少能量轉換的效率。
圖二：世界各地海浪發電的設計理念。
著名的海蛇號（Pelamis）一度曾被視 為是最具商業運轉潛力的海浪發電機。海蛇號在海浪中隨波晃動的鋼製巨大圓柱狀容器，就是取能浮體，利用相鄰兩取能浮體之相對運動，驅動活塞，擠壓油料，此高壓油料再轉動油壓馬達，油壓馬達再驅動發電機發電。
取能浮體的重量幾乎等同於整個系統的重量，取能浮體的質量和慣量相當大，違反上述原理。在海水中晃動時，因為海浪之頻率變化，常常發生取能浮體正在向下晃動，但海浪卻向上推頂正在向下晃動的取能浮體，這時海浪對取能浮體做負功，不但沒有把能量傳給取能浮體，還使取能浮體失去能量，能量轉換的效率因此偏低。
從取能浮體獲得海浪能到發電的過程太冗長，幾次能量轉換都必然無法百分之百將能量轉換成想定的能量，再損失轉換效率。只吸收窄範圍波前之海浪能，又減損其發電功能。此外，活塞油壓系統都是精密機械，以海浪作為動力驅動，自然不易妥善。再加上沉重的取能浮體造成應力集中處的作用力非常大，相對地結構強度就不夠，容易損壞。
點吸收式的海浪發電機（圖四）也有與海蛇號類似的問題，因為兩者都只能捕捉相當窄小波前範圍內的海浪能。靠海浪驅動一個圓盤狀取能浮體上下運動而進行發電。利用海水上下之運動，只能獲得海浪能的一部分。而取能浮體上連接活塞和滑軌等機械裝置，加上因特別的作動方式與形狀，必須強化取能浮體的剛性與勁度，使得其質量與慣量都大增，致使海浪對浮體做功效率低落。同樣的，它也經過擠壓油到蓄壓容器，再利用高壓油驅動油壓馬達的冗長發電過程，能量轉換效率也不易提高。此外，一根浮桅（spar）只能有一具發電機，單價昂貴。
至於水柱振動式的海浪發電機（圖五），先由海浪擠壓一空腔中的空氣，被擠壓推動的空氣再驅動一渦輪（有些用威爾思渦輪），渦輪再驅動發電機發電。首先，海浪轉換給空氣的能量比例相當低，而方向間歇改變速度大小變化的氣流推動渦輪的效率也低，兩者造成非常低的轉換效率。再加上空腔尺寸不能太大，即便小功率的此類發電機之建造、維修也所費不貲，因此距實用仍有一段距離。
圖五：水柱振動式的海浪發電機的工作原理示意圖。（上圖：NOAA）
越頂式海浪發電機（圖六），只用到小部分的海浪能——浪尖高度少量海水的位能，能量轉換過程冗長，須要安裝堤（有些更為複雜）、蓄水池，要有水渦輪機，造價顯然貴。
圖六：越頂式海浪發電機的設計想法似乎太天真，但國外仍給予嘗試的機會，
這樣的深邃眼光與開擴胸襟， 反而避免了劣幣驅逐良幣的傾軋。（上圖：wikipedia）
臺灣大有可為
政府在考慮風力發電和太陽能發電在臺灣的限制之後，近年曾寄厚望於海浪發電，並已經斥巨資委託研究，但此重金委託的研究，卻針對現有之國外原創的點吸收式海浪發電機，做細部改良，但因為點吸收式海浪發電機上述的先天缺點，該委託研究的成果無法實用，以致於政府與社會大眾誤認海浪發電在臺灣不實用。事實恰巧相反，這項預想得到的挫折，並不代表在臺灣海浪發電不可行，海浪發電其實大有可為，只是優越的作品有遺珠之憾。
公平機會與正確方向， 可節省大量經費
政策和權力並不能左右科學的事實，公平的研發機會是避免浪擲寶貴研發資源的法寶。海浪發電之研發重點在於電機而非機械（比較圖七與圖二）。運作條件嚴苛的精密機械在理論和工程上的可行性堪慮。從海浪中取出免費的能源當然是個複雜問題，但這問題的答案在機械的部分必須簡單。未來海浪發電機的發展方向（圖七）應該是：（1）能量轉換的過程必須儘量簡化和縮短、（2）取能浮體的質量和慣量要儘可能減少。
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圖七：海合乎物理學的浪發電設計理念。
近年來，浮在水面上的太陽能電池引起各國的廣泛注意，因為這項構想解決了太陽能發電必須取得大片面積的問題，但太陽能發電仍須設置在日照充足、落塵量小的位置（延伸閱讀二），因此飄浮式太陽能電池應設置在空氣清新的平靜海邊。海浪發電機除了發電之外，還可以作為防波堤，圈出一塊風平浪靜的海域，進行箱網養殖，海上觀光，當然也包括設置浮動式太陽能電池。
延伸閱讀：
1. 大家熟知的共振現象，可以從另一角度補充說明這重點。許多人認為：周期外力的頻率接近振動系統之自然頻率，是共振現象發生的條件；但深入來說，共振發生的條件，應該是外力始終（或大部分時間）對振動系統做正功，因而持續增加系統的能量。
因為振動系統本身會以一定頻率來回運動，如果振動系統的機械能量（動能和位能）不會很快消耗， 周期外力只要配合振子的運動，在大多數時間對它作正功，亦即外力的方向大多時間和振子運動的方 向同向，共振現象就會發生。
因此，共振發生的條件，除了周期外力的頻率要近乎振動系統之外，周期外力之同調性也是非常重要的因素。即使外力的頻率與系統振動的頻率一致， 同調性差（同調長度短，則短時間內即改變相位） 的外力，就不能大多數時間對它作正功，不容易引起共振。
如外力並非周期外力，只要外力能在振動系統自然振動時，在適當時間，以適當的方式，讓外力對系統做正功，系統的能量一樣會逐漸增加。相信大家 都注意到了，在一般引擎中，都使被做功的渦輪或曲軸維持在單一方向轉動，只要提供持續不變的同方向力矩、或藉由配合轉速的正時點火裝置，精確控制間歇同方向力矩，無論轉速快慢，都能把能量傳給被做功的物體。
然而，起伏擺盪的海浪只能提供往復變化的凌亂力矩 （或力），於是有人想到利用原本就會來回往復振動的系統，企圖藉由共振的現象，使海浪對振動系統有 效率地做功。但是，海浪的周期會變化、同調性差、 更不可能精確配合振動系統之振動，適時地對其做正功，有效傳遞能量的共振現象就不會發生。所以這樣 的構想也失敗了。
2. 埤塘種電太遷就埤塘的位置，而忽略了選擇適合太陽能發電的最佳地點。桃園地區日照情形是否有利於太 陽能發電，實有待商榷。
3. 教育部能源科技網：https://goo.gl/1DVydK。
4. 臺灣海洋工程學會：https://goo.gl/1wPyW9。