Energy-The Technology You Must Know in the 21 st Century 能源 21 世紀你必須了解的科技! Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 國立交通大學機械工程學系陳慶耀教授
Unit 7:Renewable Energies Water, Tide, Biomass ( 單元七 再生能源 水力與潮汐能 生質能 ) 7-1 Hydraulic Energy and Ocean Energy - OTEC ( 水力能與海洋能 ) 7-2 Ocean Energy - Tidal, Marine Currents, Wave ( 潮汐能 洋流能與波浪能 ) Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 2
水力能 水力發電溯自 1876 年西歐最先開發利用, 至 18 世紀末世界各地始普遍利用 慣常水力發電純為藉由水之流動而產生電能 抽蓄水利則利用離鋒時之多餘電力抽水而於尖峰時發電, 為調節尖 離峰用電之最佳負載管理方式 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 3
水力能 慣常水力發電純為藉由水之流動而產生電能 抽蓄水利則利用離鋒時之多餘電力抽水而於尖峰時發電, 為調節尖 離峰用電之最佳負載管理方式 水力發電技術發展至今已逾百年, 技術與經驗已相當純熟, 過去水力發電結合防洪 灌溉及用水等功能之多目標開發, 促成了許多城市的繁榮與經濟的發展 然而大型水庫對環境 社會及人文造成一定的衝擊, 如中國大陸及巴西等, 為追求電力充足與經濟成長, 仍不斷地開發大型水庫, 如三峽大壩工程 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 4
水力能 Impoundment Hoover Dam, Grand Coulee Diversion or run-of-river systems Niagara Falls Most significantly smaller Pumped Storage Two way flow Pumped up to a storage reservoir and returned to a lower elevation for power generation A mechanism for energy storage, not net energy production Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 5
水力能 P g Q H P 10 Q H P = power in kilowatts (kw) g = gravitational acceleration (9.81 m/s 2 ) = turbo-generator efficiency (0<n<1) Q = quantity of water flowing (m 3 /sec) H = effective head (m) Overall efficiency ranges from = 75-95% Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 6
水力能 台灣自 1905 年於台北縣新店龜山完成興建第一座水力電廠 (1905 年日人土倉龍治郎為植林伐木之需, 於新店溪上游興建 500KW 之龜山水力發電廠, 開啟了台灣水力發電應用的歷史 ) 迄今 依據台灣電力公司 97 年度統計年報, 統計至民國 97 年底止, 全台灣水力發電廠共有 45 座, 總裝置容量達 453.99 萬瓩 ( 含抽蓄電廠二座 ), 年發電占全國總發電量之 3.87% 民國 91 年 6 月嘉南實業公司興建完成 8,750kW 烏山頭小水力電廠, 為國內第一座民營之水力發電廠 由於水力發電可提供尖峰用電, 台電公司亦持續推動相關開發規劃, 進行中之計畫包括青山復建 碧海 竹門機組更新 濁水機組更新 西寶 萬大擴充 松林分廠等 7 案, 裝置容量共 52.06 萬瓩 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 7
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經濟部水資會與台灣電力公司於民國 84 年 6 月完成 台灣地區水力普查總報告 理論水力部分包括淡水河等 76 條重要河川 ; 但因受自然條件限制, 技術可行水力部分則選擇其中較重要之 30 條河川進行調查 評估結果顯示,76 條河川之理論水力蘊藏量達 1,173 萬瓩, 電能 1,027.3 億度 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 10
水力能 臺灣 30 條較重要河川之技術可行水力蘊藏量則為 504 萬瓩, 電能 201.5 億度 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 11
水力能 台灣地區技術可行之水力蘊藏量約 504 萬瓩, 其中約 61 萬瓩經濟性不佳不宜開發 至 97 年底已開發利用共 194 萬瓩 ( 已含青山 36 萬瓩及不計抽蓄 ), 而目前正施工及籌設中約 15 萬瓩, 故仍有尚待開發技術可行之水力發電總潛力共計 234 萬瓩 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 12
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水力能 (1) 推動目標 : 民國 9 7 年 6 月 5 日行政院第 3 0 9 5 次院會通過 永續能源政策綱領, 政策目標為 能源 環保與經濟 三贏, 其中有關電力方面為積極發展無碳再生能源, 有效運用再生能源開發潛力, 於 2025 年占發電系統的 8% 為目標 (2) 推動障礙 : 台灣由於幅員有限, 河川短促且流域面積小, 可供興建大型水庫之地點有限, 未來水力發電開發以中 小型機組居多 此外, 台灣的水力因受河川流量豐枯懸殊的影響, 過去 5 年 (93 年 ~97 年 ) 慣常水力 ( 不含抽蓄水力 ) 平均每瓩每年可產生的電量約 2,085 度, 發電容量因數僅有 23.8%, 本質上無法提供鉅額穩定的電力, 故只宜擔當尖峰發電任務 近年來, 社會及經濟急速成長, 資源高度開發利用, 土地及勞力獲得困難, 投資成本大幅增加, 復以民意高漲, 環境品質要求提升, 水力發電計畫開發將益加困難 分析國內水力發電推動之主要障礙包括 : 水力發電計畫多位處崇山峻嶺間, 基本資料之探勘蒐集費用龐大, 開發時間長 初期投資成本高及併聯線路距離過長, 業者投資風險高 環保意識及民意高漲, 常有抗爭事件, 影響計畫之推動 且許多小水力資源位於國家公園或限制開發區域, 在法規未鬆綁或土地主管機關支持水力發電之意願低落時, 難以開發 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 14
民國 101 年底國內已建置完成之慣常水力發電廠, 總裝置容量 208.13 萬瓩, 年發電量約 56 億 4 812 萬度 註 : 紅色字體為民間水力發電廠 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 15
Ocean Energy 海洋覆蓋地球表面積達三分之二以上, 蘊藏著豐富的海洋能源可供開發使用 海洋能源除具有能源巨大 可以再生 無環境污染之等優點外, 尚有不需陸地空間等等優勢, 是一種具潛力的再生能源 海洋能源依其能源轉換方式的不同可分為 : 溫差發電 : 利用深層海水與表面海水之溫差汽化工作流體帶動渦輪機發電之海洋溫差能源 (Ocean Thermal Energy Conversion), 簡稱 (OTEC) 潮汐發電 : 利用每天潮流漲落的位能差產生電力之潮汐能源 (Tidal Energy) 潮流發電 : 利用海洋中的洋流推動水輪機之海流發電 (Tidal/marine Currents) 波浪發電 : 利用波浪的位能差 往復力及浮力產生動力之波浪能源 (Wave Energy) 新能源方面 : 海底天然氣水合物, 一種存在深海地層富含天然氣的白色冰狀物質, 其含有機碳的總蘊藏量根據調查 (Kvenvolden,1988) 約是傳統化石燃料儲量的兩倍, 是由化石燃料過渡到綠色再生能源利用的階段可供使用的海洋能源 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 16
海洋溫差發電(OTEC) 海洋溫差發電是利用熱帶或亞熱帶海洋表層與水深約1000公尺 處水溫的溫差來轉換成有用的能量 一般說來 合適之溫差應 在20度以上 1979年美國能源部在太平洋中心海洋條件溫差條件最佳的夏威 夷 利用一艘268噸的海軍駁船安裝海洋溫差發電試驗台 日本1990年在鹿兒島進行海洋溫差發電電廠 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 17
海洋溫差發電 美國在 1980 年代著重於 50~100MW 封閉式海洋溫差發電系統發展 之後, 重點在於開發可應用於小型島嶼的開放式海洋溫差發電技術 由美國能源部 夏威夷州政府和日本外交部資助,1993 至 1999 美國的 PICHTR (Pacific International Center for High Technology Research) 在 Keahole Point 建立一座陸基型開放式海洋溫差發電實驗廠, 完成海洋溫差發電的設計 建置和操作, 其總發電量為 210 瓩 ( 尖峰發電量達 255 瓩 ), 然而其周邊附屬設備耗損約 170 瓩, 所以, 淨發電量僅 40 瓩 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 18
封閉式循環系統示意圖 抽取表層溫度較高的海水, 使熱交換機內的低沸點液體 例如氨 沸騰為蒸氣, 然後推動發電機發電, 再將其導入另一熱交換機, 使用深層海水將其冷卻, 如此完成一個循環 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 19
開放式循環系統示意圖 將表層海水引入真空狀態的蒸發槽中, 因低壓下水的沸點極低而沸騰為水蒸氣, 再引至凝結槽, 以深層海水使之凝結為水 此過程中會在蒸發槽與凝結槽之間因壓力差因而形成蒸汽流, 在其間加上渦輪機即可發電 另外, 使用開放式循環系統發電會再凝結槽中形成淡水, 可供使用 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 20
海洋溫差發電 我國周圍東部海域與南部海域之 10 公尺深表層海水與 1,000 公尺深之海水溫度差大多達 20 度以上, 具有發展溫差發電的潛能 依據台電公司於 1992 年之調查報告 (Hwang, 1992), 台灣東部海岸 30 公里海域內之海洋溫差年發電量可達 460TWh, 總裝置容量可達 52.5GW; 另分析東部海域五個潛力場址, 約有 3.2GW 之裝置容量 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 21
海洋溫差發電 民國 92 年, 經濟部能源委員會委託中興工程顧問公司評估台灣東部海岸或近海區域設置海洋溫差發電示範電廠關鍵技術及經濟可行性 民國 95 年能源局委託工研院建置國內第一套小型溫差發電實驗室, 裝置容量為 500W 97 年更進一步研發 5kW 之實驗機組, 最高發電量可達 5kW 以上, 已累積相關技術能量 98 年將複製 kw 級實驗機組至國內深層海水園區進行現地耐久測試 此外, 台灣電力公司於 96 年 ~98 年委託國立台灣海洋大學針對結合深層海水與太陽熱能之複合式溫差發電示範電廠之可行性進行研究, 並提出初步設計 其預計設置地點為台東低溫模場, 初步規劃電廠裝置容量為 80kW 台灣東岸 30 公里海域蘊藏的海洋溫差能, 估計可開發之總裝置容量達 52.5GW, 其中, 五個潛力場址之可裝置容量為 3.2GW, 年淨發電量可達 28TWh 未來可配合深層海水多目標利用進行整體開發, 以提高其經濟效益 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 22
Tidal Energy 將潮汐能量轉化為電力之技術與傳統水力發電相同, 需要建造壩橫亙於瀉湖或河口之海側, 並將閘門及渦輪機沿著壩體安裝, 當壩體兩側產生適當之水位差時, 利用水頭差使水體流經渦輪機帶動發電機發電 為了使潮汐發電廠能發揮其發電之功能, 高低潮差至少要有 5 公尺, 潮差愈大可產生之電力愈多, 反之則愈少 依據英國貿易及工業部 DTI (The Department of Trade and Industry) 之估計, 世界上約有 3000GW 之潮汐能源在潮汐作用中產生, 而約有 2%( 即 60GW) 之潮汐能可被開發 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 23
Tidal Energy 1966 年在法國西部沿海建造的 La Rance 潮汐電廠, 是潮汐發電進入實用階段的指標, 總容量為 240MW, 年均發電量為 5.44 億度 ; 俄羅斯於 1930 年起即開始發展潮汐發電的研究,1968 年時一個容量 400kW 的小型潮汐發電廠成功設立於 Murmansk 附近的 Kislogubsk 中國使用現代技術開發潮汐能源始於 1956 年 : 數個小型潮汐發電廠主要用來進行灌溉 自 1958 年開始, 共建立了 40 個小型潮汐發電廠 ( 總容量為 12kW), 到了 70 年代才又建立更大容量的電廠, 包括江廈發電廠 (3.2MW) 以及白廈谷發電廠 (960kW) 加拿大於 1984 年設置 20MW 的 Annapolis 電廠 ;2005 年起韓國利用 1994 年在西娃湖 (Shihwa Lake) 建置長達 12.7 公里的圍壩 ( 此壩原作為防洪及農業供水用途 ) 進一步建造全球最大的潮汐發電廠, 裝置容量達 254MW, 預計 2009 年 11 月完工 ; 澳洲 Woodshed Technologies PtyLtd. 公司提出潮汐延遲 (Tidal Delay) 的技術, 主要運用於一些天然形成的半封閉峽灣, 這些峽灣由於半封閉, 可以延遲海水的水位變化, 因而造成峽灣內與海水面的水頭差, 利用此水頭差可雙向發電 ; 墨西哥 Mar de Corts 地區可開發之潮汐能高達 3.4GW,UNAM 工程協會的工程師提出雙盆地壩 (two-basin barrage) 的概念, 運用於 Puerto Peasco 地區, 可建置 86MW 的潮汐發電廠 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 24
Tidal Energy Tidal Barrages (dams) Cross Section of La Rance Barrage Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 25
Tidal Energy Advantages: High predictability Tides predicted years in advance, unlike wind Similar to low-head dams Known technology Protection against floods Benefits for transportation (bridge) Some environmental benefits Disadvantages: High capital costs Few attractive tidal power sites worldwide Intermittent power generation Silt accumulation behind barrage Accumulation of pollutants in mud Changes to estuary ecosystem Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 26
Tidal Energy Like a wind farm, but (1) Water 800x denser than air (2) Smaller rotors (3) More closely spaced Oscillating Tidal Turbine Tidal Turbine Farms Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 27
Tidal Energy 能源局於民國 94 年針對我國各地之潮汐能源進行潛能調查與分析, 分析結果顯示以離島潮差較高, 達 5 公尺 本島潮差較小, 僅略高於 3 公尺,95 年並針對台灣本島的漁港轉型潮汐發電廠進行可行性研究, 均因漁港腹地太小, 轉型將不符合經濟價值 我國目前並無開發使用潮汐發電之推動計畫 La Rance Tidal Power Barrage La Rance Turbine Exhibit Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 28
Marine Current Energy 根據 Blue Energy 的估計全世界海流潛在的能量約有 450 GW, 海流能源迄今開始有少數進行測試的原型, 並沒有進行商業運轉 英國 美國 挪威 加拿大等國也先後投入先導型電廠計畫, 2003 年英國 MCT Marine Current Turbines) 公司於 Lynmouth 安裝 300kW 渦輪機 SeaFlow( 圖 3-2-5-2) 進行測試 ;2008 年 4 月 MCT 再於 Strangford Lough 進行 1.2MW 的 Seagen 的海流發電測試計畫 ( 圖 3-2-5-2);OpenHydro 公司於 2008 年 5 月, 在蘇格蘭 Orkney 的歐洲海洋能中心 (Europen Marie EnergyCentre;EMEC) 測試場, 安裝了 250kW 潮流渦輪發電機 2007 年初加拿大 Nova Scotia 電力公司宣布要在 Fundy 灣進行洋流發電與電網並聯示範計畫, 並選用 OpenHydro 公司的潮流發電技術 ; 亞洲第一座潮流發電站於 2005 年底在浙江省舟山市下轄的岱山縣建成發電, 該 40kw 潮流發電實驗站是由哈爾濱工程大學研製 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 29
Marine Current Energy Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 30
Marine Current Energy 台灣四周海域流場圖, 箭號長度表示流速大小, 方向表示流向 台灣附近的流場以東岸的黑潮最為明顯, 流向北北東 黑潮是北太平洋環流的一部份, 經菲律賓東北轉而沿著台灣東岸外海北上, 黑潮主流平行且靠近台灣岸邊, 距岸約 40km, 寬度約 200km 台電公司初步估計黑潮所蘊藏之能量達 3GW 以上 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 31
Marine Current Energy 工研院於 2005 年蒐集國家海洋科學中心 1994 年至 2003 年十年間台灣海域表層至水深 300 公尺的流場資料, 並推算台灣四周海域每單位面積內平均海流能分布狀況 大部分的區域皆在 100W/m2 以下, 僅台灣東部海域及澎湖水道有較大的海流潛能 澎湖水道之海流潛能約在 100-600 W/m2 範圍內, 主要是由於其水道突然縮小, 而使得通過的海流流速增加 東部海域除沿海地區外, 多處外海的海流潛能可達到 600 W/m2 以上, 台東外海甚至有部分地區之海流潛能可達 1200-2100 W/m2 此區的高海流潛能主要是導因於流經的黑潮 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 32
波浪能 海浪之衝擊力一般為每平方公尺 20 至 30 噸, 大的波浪其衝擊力更可達 60 噸 利用海浪之衝擊及其上下震動力量推動發電設備即可進行發電, 依設置地點之不同, 可分為岸基型及離岸型兩種 因盛行風的方向及廣大的大西洋等因素, 英國的波浪能源在世界上名列前茅 目前英國共有兩個波浪發電設備, 總裝置容量為 1.25MW 台灣北部每公尺約有 13kw 之波能, 東部及西北沿海居次, 每公尺約有 7kw 之波能 台灣北部海岸的已接近飽和, 適合發展離岸式波能發電系統 ; 台灣東部海岸陡峭地形, 從太平洋入射波浪直接衝擊岸壁, 適發展岸基型的波能發電設施 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 33
波浪能 陸基型 (LIMPET),2000 完成於蘇格蘭之 Islay 島 (500KW) 海蛇型 (750KW), 目前正在蘇格蘭 Orkney 島之歐洲海洋能源中心測試, 預計 2014 年完成測試 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 34
海洋能 - 波浪 2013/5/2 Ching-Yao Chen, NCTUME Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 35
波浪能 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 36
波浪能 A. 波浪削減式 (Attenuator): 波浪削減式利用與波浪方向垂置的漂浮裝置在軸線上隨波浪的上下運動, 給與選擇性適當的限制後即可產生能量 由於其在受波面面積狹小, 因此該裝置承受較小的力量, 在極端環境下較為安全 代表的裝置有 Pelamis Wave Power 公司的海蛇裝置 (Pelamis) B. 點吸收式 (Point absorber): 點吸收式波浪發電裝置是一種漂浮裝置可以利用上下的運動在海水表面從各方位擷取波能 能量轉換的方法可以有多種型式, 取決於移動 / 反應裝置的配置 代表的裝置有 Ocean Power Technologies 的 Power Buoy C. 波濤擺盪衝擊式 (Oscillating Wave Surge Converter): 這種裝置擷取因為波濤移動水分子所產生的波浪能 延伸臂受波浪水體的移動, 造成如鐘擺固定在軸心的來回搖擺 代表的裝置有 Aquamarine Power 公司的 Oyster Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 37
波浪能 D. 水柱振盪式 (Oscillating water column): 水柱振盪式裝置是部分沉浸在水中的中空結構 該裝置在水面下開口, 在中空結構物中包住了水面以上的空氣, 而波浪造成裝置內水柱表面的升降, 進而壓縮與伸張空氣柱來推動渦輪帶動發電機發電 該裝置並設計讓不論氣流的進出方向皆可以帶動發電機以同一個方向運轉 代表的裝置有 Wavegen 公司的 LIMPET E. 越頂式 (Overtopping device): 這種裝置靠波浪捕捉海水到海水面上的儲存水庫, 然後靠重力透過低水頭渦輪機發電 這種裝置通常會使用集波器來聚集波浪能量 代表的裝置有 Wave Dragon 公司的 Wavedragon F. 沉浸壓差式 (Submerged pressure differential): 這類的裝置通常位於近岸海域並安裝在海床上 波浪的運動形成裝置上方海水表面的上下因而造成水壓的改變 壓力的改變可以抽吸液體經過發電裝置產生電力 代表的裝置有 AWS Ocean Energy 公司的 Archimedes Waveswing Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 38
波浪能 Advantages: Onshore wave energy systems can be incorporated into harbor walls and coastal protection Reduce/share system costs Providing dual use Create calm sea space behind wave energy systems Development of mariculture Other commercial and recreational uses; Long-term operational life time of plant Non-polluting and inexhaustible supply of energy Disadvantages: High capital costs for initial construction High maintenance costs Wave energy is an intermittent resource Requires favorable wave climate. Investment of power transmission cables to shore Degradation of scenic ocean front views Interference with other uses of coastal and offshore areas navigation, fishing, and recreation if not properly sited Reduced wave heights may affect beach processes in the littoral zone Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 39
波浪能 工研院 (2006) 蒐集中央氣象局波浪模式推估台灣四周海域波浪潛能, 結果顯示, 台灣西岸及西南沿海之波能較小 (<10 kw/m), 台灣海峽北部及東岸沿海次之 (5-15kW/m); 以澎湖西側海域 巴士海峽 台灣東北部及東部外海之波能較高, 有 15-20kW/m 之發電潛能, 與實際波浪站量測資料推算之趨勢相同 以目前波浪發電技術, 波浪能量大於 10 kw/m 以上已具有開發價值 因此, 東北角海域 鵝鑾鼻外海 花蓮外海 以及澎湖西北海域均具有波浪發電之潛能 其中僅東北角海域及澎湖西北海域兩場址離岸較近 澎湖西北海域場址之水深較淺, 僅 70-100 公尺深, 東北角海域則達 150-500 公尺深, 其他場址則水深均超過 1000 公尺以上 高潛能東北部海岸雖有良好的地形, 但由於土地利用之故, 無法於岸上找到合適的場址, 故亦僅能發展離岸式發電設備 東部因為其沿岸地區地形陡峭, 則適合發展 岸基式 波浪發電 Prof. Ching-Yao Chen, National Chiao Tung University 40