波浪能發電

▓撰文：唐健庭

在氣候變遷、溫室氣體議題不斷升高，以及日本311核能災變的情況下，發展低污染低危險且可以再生的能源已成為大家討論的話題。筆者長期蒐集波浪能發電的資料，分享如下。

波浪能發電的使用在台灣來說並不廣泛，但是在歐洲的英國、挪威、亞洲的日本等地，波浪能發電設計的研發與改造已經有一段時間；與一般發電系統相同，可以分成3個部分，波浪動能收集機組、電能轉化機組、電流輸送機組，一直以來各國大都以這3部分的構造，針對能源轉換的比例做研發改良；本文討論主題為收集能量的原理及構造。

波浪能發電的原理及設計

根據Hagerman（1995）的分類，海浪可以利用的特性有4種：垂直的運動性（Heave）、以波峰方向為軸的旋轉運動性（Pitch）、向前推進的運動（Surge）、以重力方向為軸的旋轉運動（Yaw）；本段即以上述前3項特性以及與傳統水力發電的結合的設計來做介紹。

一、垂直的運動性
垂直的運動性是指當海面有波浪的時候，在海面的同一個位置上，隨著波浪該位置的海面會產生垂直方向的運動，如圖1所示，OWC（Oscillating Water Column）系統將一塊面積的海水面罩住，隨著波浪的發生，該罩住的面積中的海水面不斷的上升下降，上升時也將上面的空氣往正上方推擠出去，即會順勢推動放置於正上方的渦輪機。

嘗試發展這個系統來發電的國家很多，1989年日本海洋科學技術中心（JAMSTEC）在日本西岸、1990年英國的昆恩大學（Queen University）在蘇格蘭的西海岸都建設了這個系統，這兩國利用這個系統發電的量都有達到可以傳送到一定區域來使用。上述的例子雖未能提供大量的電能，但是利用波浪能來裝設航道警示燈已經相當廣泛，這些例子可以說明波浪能的利用即便無法產生大量電能，仍然可以有相當的用途。

二、以波峰方向為軸的旋轉運動性
波浪因為前後的反覆運動，也會對平行浪峰的方向產生一個轉動的力量。利用這個運動型態來發電的發展最早，英國科學家在1989年發明了鴨式發電裝置（Salter Duck），此裝置是利用一個類似輪狀的物體在海水中因波浪而前後滾動，拉動連接在上面的脊索，藉此產生高壓水來驅動整個發電系統；此外英國人Bellamy在1985年也發明了蚌式發電裝置（SEA Clam），貝殼狀的容器，裡面放置沙來固定該裝置。

CETO（Ceto是希臘神話中的海神名，此計畫以此為命名）則是澳洲研發多年的一項利用波浪能源發電的設計，從1999年開始研發，到2008年正式開始運作，設置於澳洲海岸的較淺海的地帶。如圖2所示，整齊排列的發電機組像一顆一顆的汽球，利用球形的特性，可以讓每個方向的力都推動到其吸收能量的裝置，位於底端則有類似活塞的發電設備，當海浪來回推動上面那顆浮球的時候，透過連接讓底端的裝置跟著來回移動而發電。與先前的設計最不同的是它整組的發電裝置都是在海面之下，較符合自然的形態，此設計既不會大幅破壞原有之海洋環境，也較不會占據海面空間。

三、向前推進的運動
利用波浪會將海水往前方推進，並且海浪的高度會高於海平面的特性來收集海水，再利用位能達到發電的效果。1987年在挪威就有人發明了漸縮水道裝置（Tapered Channel Devices）的設計，這個設計就是在海岸邊建立一條細長的河道，波浪將海水往前推進，當海水進入比較窄的河道時，海浪的高度隨之增加，於是可以跨入更高的暫時蓄水池中，再讓海水藉著重力流回海中的時候推動渦輪機發電。

四、與傳統水力發電結合的設計
2008年英國人Smith發明了SEARASER並實驗證實了其可用性，這個設計也可以算是利用海水垂直運動性質，只是並不是直接用海浪的力量來推動渦輪機，而是利用如圖3-1所示的幫浦，將海水抽至高處，再利用傳統水力發電的方式產生電能。

此幫浦裝置構造如圖3-2所示，利用上下2個圓筒狀物體的交互運動抽取海水，下面部分以錨定的方式將構造固定於海床上，波浪反覆垂直運動的形式會讓上面的圓筒跟著來回運動，在2個圓筒中間有1個進水閥門，可以讓海水由此處進入橡膠管中，再藉著其上下的運動，將管中的海水推送出去。

Smith在實驗中用一個托盤大小的模型，成功將海水抽到高於海平面50公尺的位置，以這個能量轉換的效率來看，他認為使用一個垃圾桶大小的成品，就可以將水抽到高於海平面200公尺的位置，若能在海面上放較多量的裝置，即可能在一段不長的時間內將位於高處的蓄水池注滿；但是因為這樣的特性，使用這個設計進行發電，必須要具備地形條件，通常需要海邊有緊鄰的山來當作提供儲存池位能的基地。

圖4是位於日本沖繩的一處海洋能源中心，圖中央藍色的區域就是該蓄水池的位置，他們設計了類似離潮儲存池的構造來蓄水，右側的洩水道底處就可放置渦輪機來做為發電之用；由於台灣東部的海岸條件與此有些類似，此建設或許可以做為台灣日後要發展的參考。

結語

結合以上的紀錄觀察及推論，波浪能的發展還有很大的發展空間，畢竟波浪的運動是生生不息的，而且海洋的面積如此廣大，陸地的海岸線如此的長，都提醒著我們其無限的可能；隨著材料科技的進步，能夠抗拒海水腐蝕或是侵蝕的材料越來越多，代表的就是可以做出更多以前沒有想過、沒有想到或是曾經想過卻沒辦法做出來的裝置。再以台灣的自然環境來說，四面環海的特色更是讓我們擁有很多的海洋資源，只要能創造以及尋找出更有效的利用方式，必定大有可為。（作者就讀於北卡羅萊納州立大學土木研究所）