百瓩級洋流發電機組發展歷程

前言

台灣四週環海且島上地狹人稠更缺乏自然資源，大部份煤炭、天然氣及石油等化石燃料皆須仰賴進口，目前能源進口比例超過98%[1]，不僅降低國內能源自主安全性，也受近年國內及國際經濟發展趨緩，世界能源資源短缺，加上人為操控原物料價格，造成原物料之價格上揚，不但成了政府財政負擔，也導致國家能源來源的不確定性及不穩定造成國安問題；另原本被國際間依賴且認為是乾淨能源的核能發電，也因為日本2011年311東北大地震所引起的福島第一核電廠爆炸，讓國人重視核能安全及核廢料儲存問題，政府更因此將核四封存及降低核能發電的比例，除了確保核安及穩健減核，更要打造綠能低碳環境並逐步達成2025年邁向非核家園之願景規劃[2]。
但在沒有開發穩定的新能源之前，我國近幾年來更加重了火力發電及燃氣發電的依賴，燃煤的火力發電使得國內的空氣汙染更加嚴重，而燃氣發電雖然比較乾淨但是發電成本太高，不利於國家財政，因此再生能源包含風力發電、太陽光電、海洋能等的可利用性與可替代性日益受到重視。
目前國內的再生能源比例約為5.6%[3]，因此，如何提高再生能源供應的比例，是目前重要的能源政策之一。政府宣示2025年台灣的再生能源比例提高至20%[4]，朝向「確保能源安全、綠色經濟、環境永續、期能達成2025年非核家園」，如此不但可提高能源自主性及改善空氣汙染，使得台灣真正變成乾淨美麗的寶島，更可節省購買原料的成本，來促進國內經濟的發展。
世界各國對於再生能源的發展與研究，除了陸域的風能與太陽能等，更積極海洋能源之研究。台灣也與世界同步積極投入風力發電及太陽能發電的研究，但由於台灣土地成本太高及人民的環保抗爭，及能源儲存技術之限制，如何將太陽能所發之電力儲存到夜晚無太陽時使用，或是將風力發電儲存到無風之問題，都使得陸上風力發電及太陽能發電之發展受到限制。
台灣四面環海，似可發展離岸風力發電，然不同於歐洲的發展特性，台灣地區在用電高峰的夏季風速較小，真正適合風力發電的季節卻在非用電高峰之冬季東北季風時期，因此如何將此時所發之電儲存到隔年夏季來使用，，則是另一重大的研究課題。
北太平洋最大的海流-黑潮(Kuroshio)流經台灣東部，距離岸邊大約30公里[5]，全年流速及流向相對於風力穩定，如能加以開發將可解決我國的能源困境。
台灣電力公司於1989年即對於黑潮發電發展潛力進行研究[6]，從研究中可得知流經台灣東部海域的黑潮厚度約為200至500公尺，流速約在0.3至1.6公尺/秒之間，平均流速可達0.9公尺/秒，且報告中指出，初期可在蘇澳外海、花蓮外海、綠島及蘭嶼等四個有潛力的場址開發出GW的發電規模，但同時指出開發海流的能源，仍有以下四點關鍵技術尚待解決：
1. 低流速(0.9至1.5公尺/秒)高效率水渦輪發電機組。
2. 如何將發電機組錨碇於海流中之工法。
3. 如何將海流發出的電力送至岸上。
4. 維護與修理海流中發電機組。
本文主要針對本研究團隊與萬機鋼鐵工業股份有限公司自1999年投入黑潮發電時，即專注於低流速(0.9至1.5公尺/秒)高效率水渦輪發電機組之研究，從2011年第一代10瓩發電機組於嘉南大圳測試成功，並於2016年於台灣東部黑潮流域完成實海域錨碇測試成功，完成50瓩機組之測試，目前更進一步朝向200瓩之商轉機組研發方向積極進行，以朝向商轉方向進行。其研發歷程與成果探討如下：
瓩級發電單元機組研發歷程

第一代低轉速洋流發電單元機組

機組研發概念主要改善傳統式渦輪機構造，如圖1，顯示習知水流渦輪機示意圖。當葉片受水流驅動後，使轉動盤隨之轉動，進而帶動發電機之軸心，進而發電。然該水流渦輪機之缺點為，在實際應用時，位於最下方之葉片係正面迎向水流，其所受之推力為最大。然而，由於葉片固設於該轉動盤上，因此位於最上方之葉片係背面面對該水流，其所受之推力與下方葉片所受之推力二者之方向相反，會對該轉動盤之轉動有抵銷作用，導致該水流渦輪機之效率不高。
為解決上述問題，本團隊研發新形式高效率渦輪機，如圖2，其包含一架體、至少一流體轉動裝置及一動力裝置，該流體轉動裝置固設於該架體，每一流體轉動裝置包括一轉動盤、一中心固定部、複數個葉片及一傳動機構。轉動盤可相對於中心固定部轉動，葉片樞接於轉動盤上，且可相對於轉動盤轉動；傳動機構係位於轉動盤及中心固定部之間，用以傳送轉動盤及中心固定部間之動力；動力裝置具有一軸心，該軸心與轉動盤同時轉動。藉此，當應用於發電時，由於位於上方之葉片所受之推力十分小，幾乎不會對轉動盤之轉動有抵銷作用，因而可以提高發電效率；當應用於產生流動之流體時，由於位於上方之葉片係為水平狀態，幾乎不會對流體產生逆向之推力，因而可使流體皆被推往同一方向，增加效益。

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