2009/03/05
經濟部能源局
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▓撰文：許書宗
海洋能為一種能源，可藉著利用海洋之物理或化學特性的形式而得。主要的海洋能發電共分為：潮汐（Tidal）發電、溫差發電（OTEC-Ocean Thermal Energy Conversion）、洋流（Tidal/Marine Currents）發電及波浪（Wave）發電等四種。
海洋能現況
目前海洋能源的發展原理及現況大致為：
一、潮汐發電
利用海水高、低潮位之間的落差，推動水輪機旋轉，帶動發電機發電。潮汐發電的地理位置要求較為嚴苛，所在海灣須具備較大的潮差（至少達5M以上）與強大的水流，才較適合做為潮汐發電的地點。潮汐發電是目前海洋能技術中最成熟者，國際上商轉電廠以法國240MW潮汐電廠裝置容量為最大。
二、溫差發電
利用溫海水，將封閉循環系統中的低沸點工作流體（Working Fluid）蒸發或溫海水本身在真空室內沸騰，產生蒸氣，由蒸氣再去推動渦輪機，即可發出電力。發電後的蒸氣，可用溫度很低的冷海水冷卻，將之變回流體，因此構成一個循環。冷海水一般要自海平面以下600～1,000公尺的深部抽取，一般溫海水與冷海水的溫度差如在20℃以上，即可產生電力。因受限於大口徑冷水管技術，此發電方法難以大型化，轉換效率仍有待於提升，目前轉換效率約3～5％。
三、洋流發電
位在海流穩定之淺水海域中，藉助強大而穩定的海流力量來推動渦輪，帶動發電機發電。洋流發電具有高度開發價值，國際上已進入Pilot Plant試運轉階段，目前以英國1.2MW的海流發電試驗廠規模最大。
四、波浪發電
波浪發電是在海邊建造中空的結構，利用波浪起伏的落差，推動結構體內的空氣，形成強大的氣流來推動渦輪發電。目前歐盟正積極發展可商轉的系統，能源轉換效率約達10～15％，但各式試驗證機台裝置規格尚未統一。
除上述四種常見的海洋能源技術外，近年來仍有其他新興能源技術問世，本文僅就其中一種新興技術——渦流振動水生潔淨能源（Vortex Induced Vibrations for Aquatic Clean Energy, VIVACE），做淺顯說明與介紹，供讀者參考。
化阻力為助力，善用渦流振動力
在500年前，由義大利人李奧納多˙達文西（Leonardo DaVinci）以「風神鈴聲（Aeolian Tone）」的形式首先觀察出因渦流導致的震動現象（Vortex Induced Vibrations, VIV）。近數十年來，各國工程師們皆苦心設法防止因VIV現象造成近海相關土木設備和結構嚴重損害，因為當流場通過鈍型體（bluff body）或圓柱等表面時會因流場分離而在近尾流端（near-wake）逐漸產生渦流結構，渦流形成會讓物體產生升力，若是反向渦流會產生相反的降力。所以若尾流端連續產生不同方向的渦流，則物體會承受不對稱力而產生上下震動現象，此種現象會讓停泊在水面上的船身隨著水流速度載浮載沉。
所以當流體產生的頻率與物體震動頻率一致時，出現的共振現象（Resonance）會導致物體產生更強大的振動而終至破壞。1940年美國塔科馬海峽吊橋（Tacoma Narrows Bridge）因強風引起的震動效應導致嚴重毀壞就是一個著名的例子。雖然VIV破壞力讓眾人避之唯恐不及，但如果反過來可以駕馭它、而非抑制渦流振動，這樣也許就能利用它來發電。
渦流振動水生潔淨能源概念
渦流振動水生潔淨能源是美國密西根大學教授Michael Bernitsas博士在2006年發表的報告，過去他曾發明讓鑽油平台等水中靜止物體抵抗渦流振動的方法，也啟發他進行此研究的靈感：「我想到如果我反過來加強、而非抑制渦流振動，這樣就能利用它來發電」。
VIVACE技術是模仿魚類利用水底渦流逆流潛行的原理。通常魚類若要逆流前行會彎曲身體，讓身體曲面引來成為推力的渦流，然後魚會擺脫那個渦流再次從反方向彎曲身體，以引起另一個渦流。魚就是在這些渦流中穿梭，因此可以抵抗比牠們肌力更強的逆水流而前行。所以若將數個水平懸吊的柱狀物以橫向置放在水流中，圓柱體會感應水流，當水流沖擊時會產生與水流呈橫切狀的間歇力道，讓圓柱體上下浮沉，而這種運動將可轉換成電力。但渦流振動是間歇性的，所產生的力量也是間歇的，將來能源利用仍需考量搭配適當的儲能系統，才能產生最大的能源使用效益。
發電成本比較
傳統水力發電的方法，是使用渦輪機，不過需要至少5節（knots，即每小時5.8英哩）的流速。而VIVACE發電機可用流速僅1節（每小時1.15英哩）的水流來發電，甚至是流速緩慢的河流也適用，電費成本降低至每瓩小時5.5美分，成本也低於其他能源。
與目前其他再生能源比較，渦流振動水生潔淨能源除了在初期建置成本（Capital Cost）略高外，擁有高達90％的容量因子（Capacity Factor）及較低的維修成本（Fixed or variable O＆M），才能在100MW發電規模下，產生每度電0.055美元的電費成本。未來若增加發電規模，成本應有繼續下降的空間。
VIVACE未來發展
目前Bernitsas博士已建立一家公司Vortex Hydro Energy，並將VIVACE振動技術廣泛地應用在海洋、河川、潮汐和其他水潮流上，同時把該技術推向商業化。未來該公司由美國能源部（DOE）贊助的「VIVACE示範計畫（Pilot Project）」將規劃於18個月內（至2010年2月）在美國Detroil河中先建置10kW裝置容量的VIVACE發電系統。若成功的話，將繼續在美國近海岸的河流中建置500kW裝置容量及在海洋中的10MW的VIVACE發電系統。依Bernitsas博士估計，未來僅需在水底下安裝數層樓高的VIVACE電機陣列，就可供滿足鄰近河岸的10萬戶家庭用電需求，應具發展潛能。（作者為工研院企劃與研發處技術規劃經理）