為推動海洋再生能源開發並持續發展洋流發電關鍵技術，國立臺灣大學接受國家海洋研究院之委託，於2020年完成10 kW浮游式洋流渦輪機之設計、製造與實海測試等工作，持續國內洋流發電之研發進度，同時也為未來實海域的錨碇實驗打下基礎。10 kW浮游式洋流渦輪機主要組件包含翼型浮體、發電機艙、垂直支柱與轉子葉片，發電渦輪機等，在設計的過程中逐步克服了機艙耐壓、結構穩定性與重心浮力配置等困難，渦輪機實體於製作完成後已順利通過轉軸動態性能測試與機艙耐壓測試，並於安平外海完成實海域拖曳性能驗證。渦輪機於轉速到達30 rpm時可產生近10 kW之發電量，其發電能力與設計相符。本文介紹浮游式洋流渦輪機之設計概念，並簡述測試過程以及分享部分實驗結果，並驗證浮游式洋流渦輪機於實海域中運作之可靠性。
前言
由於臺灣自然資源匱乏且98%能源須仰賴進口，在石化能源佔比最大的現況下，致使自然環境的永續維持面臨極大挑戰。有鑑於此，綠能政策成為政府近年的施政重點項目，目標是於2025年完成非核減碳的能源轉型，並將綠能發電比例提升至20%[1]，並同時推動太陽光電與風力發電的發展，其中風力發電機在臺灣西部沿岸之建設已開始進行，且在國家政策的大力支持下，風力發電機的佈局也漸漸拓展至海上。離岸風電是臺灣近年最火熱的議題之一，截至2020年底離岸風電之設置容量已逼近1,000 MW，並持續朝向2025年的5.7 GW目標邁進[2]。相對於風電，根據國際能源總署(IEA)的評估，全球海洋能蘊藏的發電量每年可達93,100 TWh[3]，臺灣東部海域估計每秒約有20~40百萬噸流量的黑潮流過，其經年的流速與流向大致穩定，雖流量、流域與流速仍會有季節性的變動，但離臺灣東岸約30公里處之黑潮流向穩定地由南向北，平均流速可達1.0 m/s以上，流量截面水平長達約100公里，且因為海水密度約為空氣的868倍，因此相對於風能，海流可用較低的速度便可達到相同的能量密度，如可有效運用，其對提升國家能源自主與降低二氧化碳排碳量有極大的助益。預估臺灣黑潮發電開發潛能至少應有數個GW的規模[4]。
目前在國際上洋流發電渦輪機之技術發展以歐洲與日本為主，瑞典Minesto公司發展一套特有的“水下風箏”技術，使錨碇於海床的洋流渦輪機(亦可應用於潮汐流中)在水中以8字形飛行方式進行發電，透過飛行加速的方式可用較小的機身尺寸與葉片直徑達到大型渦輪機的發電效果(如圖1所示)，且其發電量為100 kW的DG100機型已於2020年底成功交付給予法羅群島並完成輸電併網的工作[5]；日本Katsuoshi等人曾發表了可應用於黑潮海流中的單轉子浮游式海流渦輪機，並完成實海拖曳驗證[6]，其渦輪機頂部設計橢球浮體且於渦輪機底部安裝配重，透過浮體與配重對渦輪機所產生之力矩可抵消平衡單一轉子所造成的轉矩，避免渦輪機於水中運行時翻覆(如圖2A所示)；另外日本新能源產業技術總合開發機構NEDO委託IHI、東京大學與三井物產戰略研究所開發雙機對轉的浮游式洋流渦輪機組Kairyu[7]，其於流速1.5 m/s時之設計發電功率為100 kW，並於2017年完成實海域測試。雖然其海試機組只獲得30 kW之發電量，但該團隊之目標是於2030年達商業化程度；而近年國內萬機鋼鐵公司亦開發黑潮發電機，目前之發電機組已進行至第四代200 kW級，並且在2020年3月完成發電機穩定性測試，短期目標將於綠島海域進行實海域發電測試工作[8]。
本計畫團隊自2015年起進行浮游式洋流發電渦輪機模組(Floating Kuroshio Turbine; 以下簡稱FKT)關鍵技術開發。一組完整的FKT由五大構件所組成，包含具浮力控制功能之翼型浮體、垂直支柱、橫樑、直驅式發電機艙與轉子葉片，FKT設計由繫纜錨碇於海床並長時間浮游於水層中運作，當遭遇劇烈天氣時，可透過翼型體浮力調節的功能下沉至較深水層，以避開風浪可能對FKT所造成之破壞(如圖3所示)，其中800 W機型(1/25縮尺)已於2017年完成水槽技術驗證與展示(如圖4所示)，並於2018年起開始進行20 kW之FKT(1/5縮尺)研發工作，最終目標是引導產業朝向0.5 MW之商用機組發展，並進行數十MW級示範電廠開發與建置。本計畫團隊在國家海洋研究院的經費支持下，於2020年度完成10 kW單轉子之FKT設計、製作與實海拖曳測試等工作，以下將針對10 kW FKT相關重點設計項目進行解說。
浮游式洋流渦輪機設計
本文說明於2020年配置單一發電機之10 kW FKT(1/5縮尺)之性能驗證程序，其實體如圖5所示。未來20kW發電機組將以現有系統增加另一組發電機，20kW機組與800W水槽試驗模式之構型為相同。表1比較上述各模型之FKT規格。本節就10 kW FKT之設計與運作概念進行說明，其中包括發電機艙與翼型浮體之設計細節等。
渦輪機艙設計
10 kW FKT之發電機機艙由前後兩組SUS 304不鏽鋼所組成，並分別以艙蓋進行密封(如圖6所示)，由於1/5縮尺之FKT設計工作水深位於10至50 m之間，因此機艙與前後艙蓋須可承受至少6 bar的外部壓力，以確保FKT可正常運作，考量機組整體重量之限制與耐壓條件後，機艙壁厚設計為10 mm，根據結構強度模擬結果，兩組機艙與兩個艙蓋分別皆可達到11 bar與9 bar的耐壓效果(安全係數>2)，可滿足10 kW FKT於實海域之工作需求。此外，10 kW FKT機艙使用垂直支柱與上方翼型浮體連結，為求FKT整體結構之安全，除垂直支柱採用兩組工字樑併列組裝外，機艙兩側亦採用線徑16 mm之不鏽鋼纜補強(如圖5所示)，同時亦於垂直支柱上下兩端進行結構強化，以防止FKT在水中拖曳過程中因轉矩過大導致垂直支柱受損。另外為使機艙外型平整化，故於機艙外部黏貼一層可額外提供約400 kg浮力之浮材，最後機艙外部利用玻璃纖維FRP包覆，以維持機艙外部造型平整化，避免不穩定的入流影響FKT於水中的發電效能，組裝完成之機艙如圖7所示。...更多內容，請見《機械新刊》雜誌
