從上世紀70年代石油危機開始,各國開始將注意力轉移到利用本地資源和尋找適宜廉價的能源上。海洋是其中一個令人心動的選擇,地球上75%的面積是海洋,人類向大海索取資源已成為必然的趨勢,而利用海洋波浪能發電這一新技術的出現,為深入開發海洋資源、開闢了新途徑。
每秒鐘20萬瓩能量
繼潮汐發電之後,波浪能發電是發展最快的海洋能源利用形式。波濤起伏的大海,一刻也不停息地在運動。在1平方公里的海面上,波浪運動每秒鐘就有20萬瓩的能量,是最易於直接利用、取之不竭的可再生清潔能源。
利用波浪能發電有多種形式,有的利用波的上下波動,有的利用波的橫向運動,有的利用由波產生的水中壓力變化等,帶動機械轉動,進而使旋轉發電機產生電力。
國家實驗研究院科技政策中心副研究員洪長春表示,波浪能發電系統可設置於海岸線或離岸的近海區域,各有優缺點。設置於海岸線的發電系統較容易安裝及維修,不需要深水繫泊與非常長的海底輸配電纜,缺點是波浪能易遭地形破壞,符合條件的波浪能獲取場址較少,通常會利用各種聚波技術來補償因為海岸地形所造成的波浪能損失。
設置於離岸的波浪能發電系統,雖然傳輸成本及線路損失較大,但因動力來源隨波浪振幅的平方增加且結構性成本較海岸線區域少,就成本效益而言,離岸波浪能發電應比設於海岸線波浪能發電為高。不過,此系統的長期發電穩定性及成本效益監測等問題仍待克服。
可用資源 世界發電總量11%
據統計,波浪能可經濟開採之資源,約為世界發電總量的11%,在全球石化能源逐漸枯竭之際,波浪能發電已引起各國的投入,已有日本、英國、愛爾蘭、挪威、西班牙、瑞典、丹麥、印度、美國等國家相繼在海上建立了波浪發電裝置,但仍未達到普及的應用水準。
1799年,法國工程師Pierre Girard首次申請從波浪獲取動力之專利,但其後並未建造實體機器進行試驗,直到1970年代早期,波浪能發電才開始受到各國政府部門的投入及研究,目前至少有50個波浪能計畫在發展中,且每年有增加之趨勢。
英國海蛇 成功商業發電
最具有產業領導地位的英國海洋電力傳輸公司,研製出名叫「海蛇號」的波浪發電裝置,由4個鏈結的鋼製浮桶構成,外型類似一列載客火車,隨波浪上下振動的浮桶,又像是在海上翻騰的海蛇,鏈結處置有發電機組,當波浪穿越牽動連結點,帶動油壓幫浦,進而驅動發電機,裝置容量為750瓩。該公司2007年10月在葡萄牙北部的大西洋離岸5公里處,利用此項裝置建造了世界第一座商用波浪能發電站,可由電網供電,可滿足1.5萬個家庭用電需求。
目前研究波浪能轉換計畫的代表性國家有英國、挪威、葡萄牙、日本、中國大陸及印度,不過大部分仍然是在測試階段。
1985年至1986年,日本進行「海明號」波浪能發電試驗,首次實現了波浪能向電能的轉換,但發電總效率不高,發電成本令人失望。不久,日本又設計試驗了另一個裝機容量為110瓩的船型波力發電裝置,經海況試驗,運轉正常,最大總發電效率為12%。
英國則於2000年11月在蘇格蘭建成的500瓩岸式波浪能裝置,目前已上網發電,可以為當地400戶居民供電。
中國大陸也設計出振盪浮子式波能裝置,能脫離陸地電網而獨立發揮效益,將波浪能轉換的電能儲存起來,供用戶隨時使用,浪大時可持續穩定發電,浪小時也能間歇穩定發電,已發展成為獨立的發電與海水淡化系統。
取之不盡 卻最不穩定
波浪能具有能量密度高、分布面廣等優點,是一種取之不竭的可再生清潔能源。尤其是在能源消耗較大的冬季,可以利用的波浪能能量也最大。小功率的波浪能發電,已在導航浮標、燈塔等獲得推廣應用。
但波浪能也是可再生能源中最不穩定的能源,波浪無法定期生產,且具有能量強但速度慢、周期變化的特點。現有的有技術困境在於採能的效率低、被轉換的二次能不穩定、對海域環境的適應性差。
過去20年來,從波浪能發電機組所產生的電力成本有明顯的進步,以歐洲發展現況為例,預期價格比平均電價高出1倍,但是波浪能發電的成本會隨著技術推力及市場拉力的雙重影響,會逐漸下降。
洪長春表示,從過去發展其他可再生能源如太陽能、風能等之經驗來看,若能在波浪能發電機組的轉換率上有所突破,或在政策擬定上提供各種補助及配套措施下,未來幾年,全球會有超過15百萬瓩波浪能發電裝置容量的出現,預期2025年時,波浪能發電量將可媲美目前大型水力發電的規模。
洪長春認為,波浪能發電技術距離成熟階段仍有一段路程,主要缺點包括成本高、效率低、可靠性不高與穩定性不佳等。
不過,相關研究已有進展,中國最近開發出振盪浮子式轉換系統之能源儲存設備(能量緩衝器),不僅發電效率提高,同時有穩定的電力輸出,預期未來發電成本將可減少40%。
台灣潛能較低 澎湖最適宜
台灣為一海島型國家,2006年工研院根據中央氣象局所蒐集的波浪模式資料,推估台灣四周海域波浪潛能,以澎湖西側海域、巴士海峽、台灣東北部及東部外海之波浪能較高,具備開發價值,若考量離岸之水深問題,澎湖西北海域是較佳的選擇,台灣東北海岸及東部地區,則因土地利用及地形之故,較不適宜開發。
洪長春指出,相較於英國西岸、大西洋東海岸,台灣波浪潛能明顯較低,蘊藏量約1000萬瓩,但若以分散電力供給的角度出發,可著重於偏遠離島、鑽井平台、深海採礦等場所之電力供應,例如利用海洋波浪能轉換成機械能進行海水淡化、海上石油探勘等。