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- 532期－產能與節能的新觀念（4月號）
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2014-04-01海洋能 能？不能？
532 期
Author 作者
林鎮洲／任教於臺灣海洋大學機械與機電工程學系。
進入二十一世紀後，人們逐漸面臨化石燃料使用枯竭與全球暖化兩大棘手問題。其中全球暖化影響的層面很廣，包括了氣候變遷，農作物產量下降；冰河逐漸退後與兩極冰帽融化流失，造成海平面水位上升，濱海陸地面臨被淹沒等，並將進一步衍生出更複雜的社會與民生問題。而化石燃料（主要指石油、煤炭、天然氣）枯竭，直接影響的是人類的文明，是否會進入停頓期甚至是倒退階段。
一切似乎來得非常突然且意外，然而，這些問題真的是一夕產生的嗎？顯然不是！其實，人類如果有危機意識的話，早在三、四十年前就可以著手因應。1970年代，所謂第一次石油危機來臨時，人們就有機會正視化石燃料枯竭所造成的問題；以及溫室氣體（主要指甲烷和二氧化碳）濃度，由工業革命前（1750年）的280ppmv（體積百萬分率），上升到目前的390ppmv，與全球的平均上升溫度正相關的趨勢。研究顯示，過去20年當中，大約四分之三的人為二氧化碳排放來自燃燒化石燃料，目前的二氧化碳排放量約為每年65億噸。這些數據都告訴我們，如果再不採取因應措施，人類的未來將會岌岌可危。有鑑於此，1997年12月制訂的《京都議定書》（Kyoto Protocol）通過全球溫室氣體排放量管制規範，以及《聯合國氣候變化綱要公約》（United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC），為解決全球暖化問題跨出了第一步。
人類永續的出路─再生能源
基於規範溫室氣體排放量的《京都議定書》，已於2005年2月進入強制執行階段，使得無汙染之虞的再生能源或永續能源開發計畫愈來愈受到重視。除了解決全球暖化的問題外，開發再生能源也是為了解決目前化石燃料枯竭，以及核能可能帶來的核輻射汙染問題。所謂再生能源指的是該類能源取自於自然界，具有可再補充與永續的特點。傳統再生能源主要包括水力能與傳統生質能（如燃燒木材），非傳統（新）再生能源常見的有太陽能、風能、現代生質能（如由玉米提煉之生質柴油）、海洋能、地熱等。
2011年全球的總發電量中約有67.9％來自於化石燃料，16.3％來自於水力發電，而僅有4％來自於新再生能源，其中風力佔了2.1％，是目前發展最快的再生能源。在國內方面，2011年底各類能源形式的發電量以燃煤佔最高比例（40.6％），其次為天然氣（30.3％），再加上燃油（2.5％），化石燃料的發電量共佔了國內總發電量將近四分之三；而核能發電佔18.4％，汽電共生發電佔2.3％，抽蓄水力發電佔約1.4％，再生能源發電佔約4.5％（圖一）。其中水力發電雖然屬於再生能源，但因為水壩的建置經常會影響環境生態，故發展有其侷限性。目前臺灣開發的再生能源以太陽能與風能為主，其中風力發電已達經濟效益，2011年發電量（含台電與民間風力發電）為14.9億度，約可提供41萬戶家庭一年的民生用電。由於臺灣西海岸與澎湖離島具有良好的風場條件，離岸風力蘊藏量據估計可達每人每天29.9度電。風力發電的發展潛力相當高，然而考慮國土面積有限與風力機噪音的問題，未來應該朝向興建離岸風電場發展。
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圖一：我國2011年各類能源形式的發電量比例。（資料來源：臺灣電力公司）海洋蘊藏能量
海洋覆蓋地球表面71％的面積，由於水的比重與比熱皆大的特性（相對而言），使得接收來自太陽的輻射熱後，海洋自然而然成為一個巨型的能量儲存槽，其中蘊藏極豐富的能源。海洋蘊藏能量的形式主要包括：波浪能、潮汐能、海流能、海洋熱能及鹽差能，其中潮汐能受月球引力影響較大，而鹽差能與海水鹽分濃度差異相關，其他則主要受太陽的影響。有些文獻將離岸風力也納入海洋能源的範疇，本文則暫不列入。以蘊藏量而言（表一），以上海洋能當中以波浪能的蘊藏量最豐富，全球估計每年約產生8000~80000太瓦．時（TWh；一太瓦TW為1012瓦特W）的能量，其次為海洋熱能。海洋能的優勢相對於風能而言，其一是水的密度是空氣密度的830 倍，因此海洋能轉換機的體積可以比風能的小許多，其次是可預測性較高，其三是可運用時間較長。
表一：各種海洋能源理論蘊藏量波浪能
波浪能（wave energy）是由太陽能經多次轉換而來。由於太陽輻射在地球表面的加熱過程不均勻，造成不同區域海水表面溫度差異，進而產生大氣流動（ 即是風）。此外加上地球自轉使大氣受到科氏力與慣性力的影響， 進而改變風向與風速，最後當風吹過海面時，空氣壓力與摩擦力作用在海水表面，波浪就這麼形成了。波浪的傳遞距離可達數千公里，直到遇到海岸，能量才會被損耗掉。由海嘯所造成的巨大災害可知，波浪所夾帶的能量非常可觀。在一般情況下，我們可以利用波浪運動的位能差、往復力或浮力產生動力，推動渦輪機或磁鐵而轉換成電能。
波浪所包含的能量包括動能與位能，大致上波浪能量（單位：千瓦∕米，KW/m）與波高平方以及波浪週期成正比。由此可知，波浪高度是影響某一地區波浪能豐沛與否最主要的因素。以目前的波浪發電技術而言，波浪能量大於10千瓦 ∕ 米以上就具備開發價值。從全球波能潛勢分佈情形來看（圖二），介於緯度30度至60度範圍之間具有最高的波浪能量，其中以歐洲北大西洋岸（包括英國與愛爾蘭西岸）、北美洲北太平洋岸、非洲南端、澳洲南端、紐西蘭南端、智利南端等地最有開發潛力。臺灣所處位置緯度較低，波浪能大約介於5~20千瓦∕米，其中以臺灣東北部與澎湖西北部較具有開發潛力，波浪能大約為15~20千瓦∕米。
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圖二：全球波能潛勢分佈（單位：千瓦 ∕ 米）。（圖片來源：OES年報）
要將波浪能轉換成為電能，須經過一系列機械裝置與程序進行能量傳遞與轉換，此類機械裝置稱為波浪能轉換器（wave energy converter, WEC）。波浪能轉換器是將振幅變化不規律、頻率低的波浪，透過機械結構聚波和共振來採集並轉換能量。一個波浪能轉換發電系統的架構可分為三個階段，第一階段為波浪能的擷取（採集），通常利用機械結構聚波或機構與波浪共振的方法，把分散的波浪聚集起來，此部分也可視為機械式的整流；第二階段為透過工作介質加壓，轉換與傳遞能量。能量傳遞的方式包括低壓水力傳動（水之重力）、高壓液壓傳動（液壓）、氣動傳動（氣壓）、機械傳動（連桿機構），使波浪能轉換為可利用的機械能；第三階段轉換稱為最終轉換，將上一階段的加壓工作介質通過渦輪機，帶動發電機轉換為電能。有些波浪能轉換發電系統架構僅包含兩個階段，應用電磁感應定律，省略工作介質加壓的部份，將第一階段由波浪能轉換為具有動能的磁鐵芯往復通過線圈來發電。
歐洲海洋能源中心（European Marine Energy Centre, EMEC）針對波浪能轉換器提出了八種分類形式，其中較為常見的六種是衰減式（attenuator）、點吸收式（point absorber）、波浪振盪衝擊式∕推拉板式（oscillating wave surge ∕ flap）、振盪水柱式（oscillating water column）、越頂式（overtopping） 和水下壓差式（submerged pressure differential）。......【更多內容請閱讀科學月刊第532期】