2002/12/05
經濟部能源局
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▓撰文：林劭珍
地球70％以上的表面積，都被海洋所覆蓋，如能將廣大海洋中各項資源的豐富潛力，轉換成為能源利用，那將是再生能源發展的重要里程。
過去二、三十年間，由於石油價格一再往上攀升，全球石油儲存量逐漸減少，以及世界能源需求量逐年增加，使得再生能源的地位更形重要，其研究與開發工作也備受重視。海洋是再生能源的寶庫，也是世界上最大的太陽能儲存系統，如何抽取及轉換其中部份的能源成為電力，是人類所積極追求的科技。本文將針對海洋溫差發電（Ocean Thermal Energy Conversion；OTEC）的歷史與原理做一介紹，期盼使讀者對海洋溫差發電的科技，有更深一層的認識，並能對其相關的議題加以思考。
海洋溫差發電發展史
最早思考到以海洋溫差發電的是法國物理學家達森瓦（J. D'Arsonval），在1881年時所提出，他注意到熱帶地區海洋的表面水溫與深層水溫相差很大，並曾提議利用此一溫差使熱機運作。1926年，法國科學家克勞德（G. Claude）使用一座小型的實驗裝置，做出世界上第一個海水溫差發電的公開實驗，成功證實溫差發電的可行性。
1931年，克勞德在古巴海岸設置了一座陸上型開放式溫差發電實驗廠，但當時的結論是無法產生淨電力。克勞德毫不退縮於1933年在巴西外海建立一座海上型溫差發電廠，但因冷水管破裂而失敗。1948年，他再提出「亞必強」（Abidjan）計畫，進行各種基礎的研究及調查，包括了蒸發器、凝結器、取水管等方面，準備在非洲象牙海岸建立一座陸上型封閉式發電廠，但因海洋溫差發電與當時廉價化石燃料相較，顯得並不經濟，因此在法國海洋溫差發電的發展暫告一段落。
美國人安得森（J.H. Anderson）於1964年向美國專利局提出了「於天然水取得動力的方法及其裝置」發明專利的申請。這項發明為今日研究海水溫差發電的濫觴。1973年能源危機以後，海洋溫差發電的研究便蓬勃發展起來。美國於1979年在夏威夷外海，首次從海水溫差獲得淨電量。
日本人也在1981年在南太平洋的諾魯島建立一座陸上型封閉實驗電廠，為該型的世界第一座，可產生淨電力31kW，此例證明海水溫差發電可提供穩定的電源。美國進一步於1993年在夏威夷建立一座陸上型開放式海水溫差實驗發電廠，設計容量為210kW。目前世界上最積極研究海水溫差發電的有美國、法國、日本、瑞典等工業先進國家，而在波多黎各、法國、我國也正在研究規劃中。
＜插入表一＞
海洋溫差發電基本原理
所謂溫差發電，乃是利用海洋表層溫海水與深層低溫海水在熱交換器中，將溫海水所具有的熱能轉變為動能，推動渦輪產生電力。一般溫海水與冷海水的溫度差如在20℃以上，即可產生淨電量。因此表層海水若與1,000公尺下溫度差20℃左右，就有較佳的利用價值，在緯度30°N與30°S範圍內的海洋都符合這條件。
溫差發電的方法大約可分成封閉式循環、開放式循環及混合循環等三種系統。封閉式循環是利用沸點低的流體（如氨、丁烷、氟氯烷）做為媒體，工作原理是將溫海水抽起，將其熱源傳給蒸發器內的工作流體，蒸發後的工作流體在渦輪機內絕熱膨脹，並推動渦輪機的葉片達到發電的目的。發電後的工作流體被導入冷凝器，並將其熱量傳給抽自深層的低溫海水，工作流體因而冷縮恢復成液體，經循環泵打至蒸發器，形成一循環，工作流體可以重複使用。此種系統能源轉換較為穩定，但淨效率僅約2.1～2.3％。
開放式循環系統直接以溫海水為媒介，首先將溫海水導入真空狀態的蒸發器，使其部份蒸發，其蒸汽壓力約只有0.03大氣壓，水蒸氣在低壓渦輪機內進行絕熱膨脹，做功之後，引進冷凝器，由冷海水冷卻後成為液體。冷凝的方法有兩種：一種直接混入冷海水，為接觸冷凝；另一種不與冷海水接觸，為表面冷凝，附帶可產生淡水。此種系統能源轉換效率雖較封閉式系統來的高，但其低渦輪效率不確定，及水蒸氣密度、壓力均較低，故發電的容量裝置較小，不適合大量發電。
混合循環系統與封閉式循環系統有些類似，唯一不同的是在蒸發器的部份。混合式系統的海水先經過一個蒸發器，使其中一部份轉變為水蒸氣，隨即將蒸汽導入第二個蒸發器，水蒸氣在此被冷卻，並釋放潛能，此潛能再將低沸點的工作流體蒸發，工作流體在此構成一封閉的循環系統。混合式發電系統可避免溫海水對熱交換器所產生的生物附著，並在第二個蒸發器中有淡水產出，同時改善開放式系統低容量的缺點。
成為主角來日方長
我國四面環海，海洋就是得天獨厚的資源，實在不應該忽視海洋溫差發電的可能性與相關研究，但就現今的環境觀察，海洋溫差發電仍有許多的問題需要考量與評估，最明顯的就是在經濟層面著眼，開發成本與獲利能力之間的協調。在往後的篇幅中，筆者將就海洋溫差發電的優點、限制、我國發展的空間等方面，做另一方面的介紹。（本文作者為旭光中學生活科技教師）