水力能與海洋能應用 國立成功大學水利及海洋工程學系許泰文特聘教授 04.05.2012 主講人 : 許泰文特聘教授 / 1 世界電力需求趨勢 經濟發展帶動電力需求 世界電力需求逐年增加 2030 年電力需求將是現在的 1 倍 全球電力需求趨勢預測圖 單位 : 十億千瓦小時 年 資料來源 :International energy outlook 主講人 : 許泰文特聘教授 / 2 1
電力來源與策略發展 非再生能源 石化能源 : 價格日漸昂貴, 且可能枯竭 燃煤火力發電 : 可能造成環境污染 核能發電 : 有安全疑慮及廢料處理等環保問題 電力 ( 十億瓦特 ) 資料來源 :International energy outlook 年 石油核能 再生能源天然氣 煤 ( 火力 ) 主講人 : 許泰文特聘教授 / 3 電力來源與策略發展 非再生能源 再生能源 : 未來佔電力來源比例逐漸增加 再生能源項目 : 太陽能 生質能 海洋能 風能 電力 ( 十億瓦特 ) 資料來源 :International energy outlook 年 石油核能 再生能源天然氣 煤 ( 火力 ) 主講人 : 許泰文特聘教授 / 4 2
再生能源種類 水力能 : 利用河川或瀑布之水流落差或流速作功, 由水之位能或動能轉為機械能, 再由水輪和帶動發電機產生電能 太陽能 : 擁有良好的前景, 但必須克服儲能效率的問題 生質能 : 以植物或植物廢棄物提煉燃料 ( 可能使世界糧食分配更加不均 ) 海洋能 : 海洋覆蓋全世界 2/3, 海洋能源種類包括波浪能 潮汐能 海洋溫差能及海上風能, 豐富的海洋能源仍待開發 太陽能 海流及潮汐能 風能 主講人 : 許泰文特聘教授 / 5 水力發電概述 1. 水力發電原理 功 = 物體重量 高度 河川 湖泊等或瀑布之水流具備重量 高低差和連續性, 適合作功之條件 位能 動能 電能 將水之位能讓水輪輪運轉為機械能, 再藉水輪機推動發電機產生電能 主講人 : 許泰文特聘教授 / 6 3
水力發電概述 2. 水力發電廠結構 電力需求 及來源 複合式海洋 能源 水力發電廠之模型 水力發電原理示意圖 主講人 許泰文 特聘教授 / 7 水力發電概述 3. 以水力推動機械 使之作功者 稱為水力發 電 (Hydro-electric Power Generation) 電力需求 及來源 複合式海洋 能源 發電廠之外觀 主講人 許泰文 特聘教授 / 8 4
壓力水管高垻 發電尾水口尾水路發電廠水力發電概述 4. 水力發電之方式 (1) 水路式 ; (3) 堰壩水路式 (2) 堰壩式 ; (4) 抽蓄式 (pumped storage powerplant) (1) 川流式 (3) 抽蓄式 (2) 水庫式 (4) 調整池式 主講人 : 許泰文特聘教授 / 9 水力發電概述 5. 水庫式水力發電示意圖 水庫 ( 調整池 ) 水庫 ( 調整池 ) 進口: 許泰文特聘教授 / 10 廠主講人 水 圖 5 堰壩式發電 5
水力發電概述 5. 水庫式水力發電流程示意圖 水力發電流程示意圖 主講人 : 許泰文特聘教授 / 11 水力發電概述 6. 抽蓄式發電原理和種類 (1) 原理高處蓄水池進水口水路水槽壓力水管發電廠 ( 水輪機 抽水機 ) 低處蓄水池 主講人 : 許泰文特聘教授 / 12 6
水力發電概述 6. 抽蓄式發電廠原理和種類 (2) 種類 循環式抽蓄發電廠利用每日低負載之多餘電力汲水, 於當天尖峰負載時發電 台中明潭抽蓄發電廠 主講人 : 許泰文特聘教授 / 13 水力發電概述 6. 抽蓄式發電廠原理和種類 (2) 種類 混合式抽蓄發電廠水庫容量尚有餘裕時, 則利用豐水期或深夜多餘電力, 自下游調整池汲水蓄存 7. 水力發電量 Q = 流量 (CMS) Q(H KW= (H-h) h)η H = 水頭 11.8 η = 水輪機或發電機發電機效率 主講人 : 許泰文特聘教授 / 14 7
我國海洋能源蘊藏 我國四面環海, 具有充沛海洋能源 其中包括 : 海上風力發電 海流發電 海洋溫差發電及天然氣水合物等 主講人 : 許泰文特聘教授 / 15 發展海洋能源的條件 能源來源 符合經濟效益的發電能量來源 : 風力 海流 波浪 潮汐 台灣深度 20 公尺海流流矢圖 資料來源 : 國家海洋科學研究中心海洋資料庫主講人 : 許泰文特聘教授 / 16 資料來源 : 中央大學台灣風能網站 8
發展海洋能源的條件 工程考量 符合工程經濟的地理地質環境 : 海水深度及地質條件 資料來源 : 國家海洋科學研究中心 主講人 : 許泰文特聘教授 / 17 發展海洋能源的條件 天然災害 天然災害與可能造成工程經費增加 : 地震 颱風及海嘯 颱風災害 台灣地區地震分佈與板塊活動 資料來源 : 中央氣象局 海嘯災害 資料來源 : 國家地震中心 資料來源 : 災害防救科技中心中心 主講人 : 許泰文特聘教授 / 18 9
海上風力發電 因風力發電技術日益成熟, 世界各地風能持續被開發, 海上風力發電是目前最具發展潛力的海洋能源 台電區地狹人稠, 陸上風場開發潛能有限 現有 主講人 : 許泰文特聘教授 / 19 歐洲 美國 亞洲 資料來源 :BTM Consult ApS (2005) 其他國家 海洋能源研究領域 以海上風力發電為例 台灣目前已有數座陸上風場, 集中於風能充沛的西部區域 為了追求更大更穩定的風場, 海上風場是未來趨勢 比較我國風能分佈及海水深度, 台灣海峽未來於澎湖 台中至安平一帶外海皆可能開發為海上風場 主講人 : 許泰文特聘教授 / 20 10
發展海上風力發電場的理由 為降低發電成本, 風力發電機以設置於風能充沛且穩定之區域為優先考量 海上風速較強, 因此可提供風力發電機較大之風力潛能 當以海岸線為基準時, 以一運轉能量 3MW,80m 高之風力發電機為例, 不論風的方向是從陸地吹向海洋之陸風, 或是從海洋吹向陸地的海風, 海上之風能皆超過陸上 風力潛能與離岸距離關係圖 陸地 海上 資料來源 : 改繪自 Bjerregaard (2004) 主講人 : 許泰文特聘教授 / 21 全球現有海上風力發電場 目前 95% 以上的海上風場集中於歐洲 主講人 : 許泰文特聘教授 / 22 11
規劃中的海上風場 以德國為例 以德國為例 : 未來數年將出現為數可觀的海上風力發電場 資料來源 : 郭玉樹等 (2008) Wind park Year Capacity of wind turbine Water depth (m) Foundation type Borkum West phase 1 2007 5MW 30 Tripod Nordegründe 2009 5MW 7 Monopile Butendiek 2009 2.3MW 19 Gravity foundation Borkum Riffgrund I 2009 3MW 26 Monopile Nordsee Ost phase 1 2010 5MW 23 Monopile Borkum Riffgrund West I 2010 3.5MW 33 Tripod Nördlicher Grund phase 1 2010 4.2MW 32 Monopile Amrumbank West 2011 4MW 24 Monopile Borkum Riffgat 2011 4.5MW 18 Monopile Hochsee Windpark Nordsee Phase 1 2011 4.5MW 39 Tripod Long Island 2011 4 MW 12 Monopile Borkum IV 2012 4.5MW 30 Tripod Globaltech 1 phase 1 2012 4.5MW 40 Tripod DanTysk phase 1 2013 5MW 30 Tripod He Dreiht 2013 4.5MW 39 Tripod 主講人 : 許泰文特聘教授 / 23 海洋能源研究 以海上風力發電為例 高度跨領域之研究 海象氣象及能源評估 : 物理及大氣科學 海底探測 : 地質及海洋工程 能源設施設計建造 : 水利工程 海洋工程 航太工程 土木工程及電機工程 主講人 : 許泰文特聘教授 / 24 12
風能潛勢評估 風力發電是將空氣動能轉變成機械能, 再利用渦輪機轉換成電能 W 0 1 3 V f V dv 2 W: 風能密度 V: 風速 F(V): 機率密度函數 最大發生機率的風速並不是最大風能的風速, 產生最大風能之風速可以由下式求得 1 3 0 V 2 V f V 主講人 : 許泰文特聘教授 / 25 風速與風能關係 風速大於風機啟動風速時, 風力機開始運轉, 當風速大於停機風速時, 為避免風力機損壞, 風機停止運轉 若施加於葉片的風力過大或施加於塔架的波浪力過大, 可能造成葉片折斷, 塔架歪斜, 甚至基礎失去承載力, 風力機無法正常發電 主講人 : 許泰文特聘教授 / 26 13
海上風力發電機受力環境 與陸上風力發電機比較, 海上風力發電機承受更大且終年不斷的波浪力及風力 長期的反覆作用力使設計及建造海上風力發電機更具挑戰性 主講人 : 許泰文特聘教授 / 27 海上風力發電機受力環境 平時及颱風造成之風力 波浪力 地震力 風力發電機建造成本 複雜的受力環境使海上風力發電機的建造成本較陸上風力發電機大為提高 ( 海上風電成本約為陸上風電成本的 1.5 倍以上 ) 海洋環境使水下結構 基礎及海底輸電線的成本比重增加 資料來源 : 郭玉樹等 (2008) 主講人 : 許泰文特聘教授 / 28 14
海上風力發電機結構安全分析的重要性 風力發電機必須靠塔架及基礎支撐於海床上 風機塔架安全性分析 : 在風力及波浪力作用下, 必須避免塔架變形過大或斷折 日本曾發生塔架及葉片在強風中折斷之案例 主講人 : 許泰文特聘教授 / 29 海上風力發電機結構受力分析 預估風力發電機的受力是分析塔架安全及維持風機正常運轉的必要條件 海象氣象觀測可以直接提供外力資訊作為建立預測模型的依據 風浪作用於結構的力學分析十分複雜 海上觀測設施 觀測 預測 資料來源 :Fino1 資料來源 :Mittendorf et al. (2007) 主講人 : 許泰文特聘教授 / 30 15
海上風力發電機基礎種類 風力 波浪力經由葉片 塔架傳至基礎 ; 穩定的基礎是確保風機正常發電的必要條件 發電機的基礎種類因適用水深依序分為重力式 基礎 負壓沈箱基礎 大口徑單樁基礎 三腳基礎及塔架式基礎 資料來源 : 郭玉樹等 (2008) 主講人 : 許泰文特聘教授 / 31 海上風力發電機基礎安全分析 以大口徑單樁為例, 在波浪及風的反覆作用下, 可能造成基礎的永久變形, 最後使海上風力發電機倒塌, 或無法正常運轉發電 H 水平力作用次數 N N = 1 50 500 5000 N = 1 50 500 5000 0 0 h L = 30 m z k s(z) 3-0.17 k s,tip = 80 MN/m N D = 7.5 m Depth z in m 10 10 20 20 h/l = 0 h/l = 1 H = 16 MN H = 16 MN 30 30-2 0 2 4 6 8-5 0 5 10 15 20 Horizontal displacement w in cm 基礎水平位移 w (cm) 資料來源 :Achmus et al. (2005) 主講人 : 許泰文特聘教授 / 32 16
海床穩定性分析 海洋結構基礎周圍受渦流影響, 可能造成海床掏刷, 若掏刷深度過大, 海上風力發電機可能會被 " 刮 " 走 發電機若設置於砂質海床需要作防淘蝕工程 淘蝕深度 S 資料來源 :Kuo et al. (2008) 主講人 : 許泰文特聘教授 / 33 海上風力發電機基礎形式優缺點比較 基礎型式適用優點缺點 重力式基礎 沈箱基礎 水深小於 10m 水深小於 40m 移除方便 設置時易掌控 重力式基礎可先於陸上施做, 再行拖運至預定基礎位置置放, 縮短海上施工時間 重力式基礎不需打樁設備 易於安裝與移除 資料來源 : 郭玉樹等 (2008) 需要預先整地 施工費時及需要較大施作場地 不適用軟弱地盤, 僅 用於承載力良好之地層或岩盤地質 變形量在高側向載重下可能偏大 基礎下沉過程中之施工誤差量較大 主講人 : 許泰文特聘教授 / 34 17
海上風力發電機基礎形式優缺點比較 基礎型式適用優點缺點 單樁基礎 三腳及桁架式基礎 水深小於 50m 水深大於 20m 基礎型式簡單 佔地面積較小 不需預先整地 對海床淘刷及軟弱地盤 具有一定抵抗能力 樁基礎長度可隨水深及可能因地震引起之液化區域範圍調整 基礎佔地較小, 對生態環境及船隻航行影響可減至最低 桁架結構可隨水深增加且對 不需整地 對海床掏刷具有一定抵抗能力 樁基礎長度可隨水深及可能因地震引起之液化區域範圍調整 可用於水深較深之區域 需要大型施工機具對含礫石地盤需小心基樁挫曲 較不適用於岩盤地質 需大型打樁設備, 造價較高 樁基礎需進行防蝕處理, 降低腐蝕速率 不適用含礫石地盤 不適用於淺水域 因結構型式需特殊製程 較不適用於岩盤地質 需大型打樁設備, 造價較高 樁基礎需進行防蝕處理, 降低腐蝕速率 主講人 : 許泰文特聘教授 / 35 案例介紹 : 德國海上風場 Alpha Ventus Alpha Ventus 是德國目前建造中的海上風力發電場 位於北海, 距離威廉港 50km 左右, 水深最深 35m 風力發電機發電容量 5MW ( 台灣目前陸上風機為 2.3MW) 德國 Alpha Ventus 海上風場 ( 總發電容量共 60MW) 主講人 : 許泰文特聘教授 / 36 18
Alpha Ventus 海上風場採用之風力機 Alpha Ventus 風場採用 Repower 公司 5MW 的風力發電機, 葉片直徑 116m, 海床面至葉片頂部高 185m 發電機是昂貴的龐然巨物, 必須審慎設計 5MW Repower 風力發電機 244.2m 185m 台北新光三越 主講人 : 許泰文特聘教授 / 37 Alpha Ventus 風力機基礎 採用塔架或三腳基礎設置於砂質海床 基礎建造需要特殊海上施工機具 基礎工作平台足夠供直昇機起降 主講人 : 許泰文特聘教授 / 38 19
Alpha Ventus 風力機基礎建造流程 -1 塔架在陸地組裝完成 打設樁基礎並固定桁架 1 4 搬運基礎至風場準備水下結構及基礎組裝主講人 : 許泰文特聘教授 / 39 搬運上部葉片結構 2 5 運用浮桶搬運 3 6 資料來源 : 改繪自 Alpha Ventus 網站 Alpha Ventus 風力機基礎建造流程 -2 運送上部結構 組裝上部結構 7 9 吊送上部葉片結構至完風場 運送機電人員準備上部發電機組裝 8 10 主講人 : 許泰文特聘教授 / 40 20
海上風場建造實景 主講人 : 許泰文特聘教授 / 41 海流發電 利用海流的動能推動水輪機發電 一般在海流流經處設置截流涵洞的沈箱, 並在其中設置水輪發電機 台灣東部地區以黑潮最具開發潛力 海流發電能量預測 P 0.5C p AV 3 MCT 公司海流發電機 P: 海流發電能量 (W) C p : 葉片運轉係數 V: 海流速度 A: 葉片運轉面積 ρ : 海水密度主講人 : 許泰文特聘教授 / 42 Eon 公司海流發電機 21
海流發電現況 目前並無實際商業運轉之海流發電機 英國 MCT 公司於 2008 年進行 1MW 渦輪發電機 Seagen 測試 英國 Seagen 海流發電機安裝 主講人 : 許泰文特聘教授 / 43 潮汐發電 利用潮差能量以攔阻壩方式推動渦輪 潮汐能計算如下式 P: 潮汐發電能量 (W) P C ga 2 g( z z ) d 1 2 潮汐發電示意圖 C d : 發電係數 g: 重力加速度 A: 葉片運轉面積 ρ : 海水密度 z 1,z 2 : 潮位高度 資料來源 :Australian CRC for Renewable Energy LTD 主講人 : 許泰文特聘教授 / 44 22
潮汐發電現況 目前僅有法國 俄羅斯及加拿大設有潮汐發電場 台灣離島潮差約 5m, 本島潮差僅 3m, 開發價值較低, 因此我國目前並無開發潮汐能發電之相關計畫 俄羅斯 Kislaya Guba 潮汐發電場主講人 : 許泰文特聘教授 / 45 法國 Rance 潮汐發電壩 海洋溫差發電 利用深海冷水 ( 約攝氏 1 ~ 7 度 ) 與表層的溫海水 ( 攝氏 15 ~ 28 度 ) 的溫度差, 經熱傳轉換來發電 只要溫差達 20 度就具有開發潛力 台灣東部海深超過 1000m 的水溫差超過 20 度, 十分具有開發潛力, 但目前仍處於研究階段 台灣東部海水溫差超過 20 度 資料來源 : 美國國家再生能源研究中心 主講人 : 許泰文特聘教授 / 46 23
海洋溫差發電現況 美國夏威夷 日本沖繩及古巴已開發小型溫差發電設備 國內初步選定和平 石梯及樟原作為溫差發電廠址 目前國內已完成和平預定廠址海床調查, 目前工研院完成一小型研究發電機 小型海洋溫差發電設施 主講人 : 許泰文特聘教授 / 47 海洋溫差發電現基礎 發電設施多以浮體設置於水面 1000m 的水深必須利用高拉力錨定將發電設施設置於海床 美國 TRW 公司的浮台式溫差發電場 ( 概念圖 ) 拉力 主講人 : 許泰文特聘教授 / 48 錨定基礎 24
深海錨定錨定基礎安全分析 深海錨定樁受傾斜拉力 ( 垂直力與水平力的合力 ) 拉力傾角 α 對水平變形影響有限 ( 圖 a) 當水平分力越大時, 錨定樁在傾斜拉力下可能產生較大的垂直變形 ( 圖 b) 垂直變形過大可能使錨定效果喪失, 發電機隨波浪飄走 (a) 垂直分力對水平位移的影響 orce H in MN Horizontal fo 3 2 1 = 0 = 30 = 60 H w 0 0 5 10 15 20 25 Horizontal displacement w in cm (b) 水平分力對垂直位移的影響 ce V in MN Vertical forc 1.5 1.0 0.5 = 90 資料來源 :Achmus et al. (2008) = 60 = 30 V u 0 0 1 2 3 4 Heave u in cm 主講人 : 許泰文特聘教授 / 49 波浪發電 發電包括擺盪柱體發電機 浮桶式發電機 拍打式發電機及束制水道式發電機 主講人 : 許泰文特聘教授 / 50 25
波浪發電現況 最接近商業運轉的波浪發電為海龍 Pelamis 束制水道式發電機, 目前於蘇格蘭及葡萄牙海域進行運轉測試 台灣地區經由台電公司評估以東北角海域發展波浪發電潛能最高 研究方向 : 波浪能量預測 安全的基礎設計 藉由波浪使 Pelamis 如蛇一般運動將動能轉換為電能 資料來源 : 紐西蘭國家工業局 主講人 : 許泰文特聘教授 / 51 天然氣水合物 為海洋能源但非再生能源 又稱氣體水合物 (gas hydrate) 甲烷水合物 (methane hydrate) 或可燃冰 天然氣與水分子在高壓 (>100 大氣壓或 >10MPa) 和低溫 (0~10 ) 下合成的固態結晶物質 可燃冰 主講人 : 許泰文特聘教授 / 52 在美國 Hydrate Ridge 地區探採之含白色塊狀天然氣水合物岩心 資料來源 :TEXAS A&M UNIVERSITY 26
天然氣水合物蘊藏量 全球天然氣水合物所含的甲烷氣資源量, 在標準溫壓環境下, 保守估計至少有兩萬兆立方公尺, 大約是全球已知石化燃料能量的兩倍 大部分天然氣水合物皆蘊藏於深海域 ( 多位於水深 500m 之區域 ), 也有部分蘊藏於陸域 全世界天然氣水合物蘊藏分佈圖 資料來源 :Makogon (1997) 主講人 : 許泰文特聘教授 / 53 我國天然氣水合物開發現況 台灣高雄 恆春外海蘊藏五千億立方公尺以上的天然氣水合物, 若全部開發, 可供國內使用五十年以上 困難點 : (a) 開採天然氣水合物將釋放大量含甲烷的氣體, 對溫室效應的影響較二氧化碳更為劇烈 (b) 天然氣水合物在海底沈積狀態處於穩定, 但開採後因溫度及壓力改變, 可能造成嚴重地質災害, 如海底塌陷和沿岸滑坡 台灣地區天然氣水合物可能蘊藏區域 大陸地區天然氣水合物可能蘊藏區域 台灣及大陸地區天然氣水合物鑽探研究區域 資料來源 : 鍾三雄等 (2008) 主講人 : 許泰文特聘教授 / 54 27
複合式海洋能源 結合風力與海流的構想 因同時承受的風力及海流力, 需要承載力更高的結構及基礎 複合式海洋能源發電機構想 主講人 : 許泰文特聘教授 / 55 海洋能源島 結合風力 波浪及海洋溫差發電的構想 更多的電力 更浩大的工程 更高的造價 在控制環境農產品的溫室表面加裝太陽能聚光發電版 高層發電機 低層發電機 海水養殖筆 爐 工作室 蓄水箱 波浪能量轉換器 主講人 : 許泰文特聘教授 / 56 支援海洋熱能轉換冷水管路工作平台室資料來源 :University of Southampton 南安普敦大學, 英國 海港 整流渦輪列 氫 地表水出口 氧 表面溫水進口熱儲存蒸餾水 支援浮標 能源島透視圖 28
台灣海洋能開發分析 經濟部能源局 2007 年能源科技發展白皮書 優勢劣勢 (1) 海流 : 黑潮流經台灣, 速度及流 (1) 海流 : 合適之場址水深大於 100m, 量大, 在蘇澳 花蓮及台東外海且離岸距離超過 20km 年平均流速在.2m/s 以上, 具有 GW 級的淺力發電裝置容量 (2) 波浪 : 台灣東北部也較大波能, (2) 波浪 : 颱風多, 技術門檻高離岸地區可達 10kW/m 以上 (3) 溫差發電 : 台灣東南海域海水表 (3) 溫差發電 : 溫差發電效率有帶提層與水深 500m 水深之溫度差可達升, 颱風亦造成冷水管破壞 20 度以上, 具有 30GW 的蘊藏潛能 (4) 海上風能 : 西部海域風場良好, (4) 海上風能 : 需要特殊基礎施工技海水深度小於 40m 區域, 包括澎術, 風力機技術仰賴國外湖及彰濱外海具有發展海上風場之良好潛能 (5) 天然氣水合物 : 西南沿海蘊藏豐 (5) 天然氣水合物 : 深水開採技術難富, 開採地點亦離台灣本島相當度高接近 資料來源 : 經濟部能源局 主講人 : 許泰文特聘教授 / 57 結論與展望 蘊藏豐富值得我國積極開發 海上風能 海流能 能 天然水合物 離岸式風力發電機是世界未來趨勢 風力發電技術已經成熟, 海上風電應為首要開發對象 台灣地區西部海域十分適合發展離岸風場 未來展望 開發台灣海洋能源, 帶動相關產業, 提振經濟 成大水利與海洋工程學系與國際大學積 ( 德國 義大利 日本及美國 ) 積極合作, 開發更有潛力的複合海洋能源 主講人 : 許泰文特聘教授 / 58 29
謝謝 主講人 : 許泰文特聘教授 / 59 30