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乘浪而上,為什麼海浪發電會是能源下個解答(下)

2016 年 04 月 22 日

中篇介紹完海浪發電發展與目前各國研發概況之後,最後來討論,為什麼一個看似簡單的海浪發電,困擾了全世界這麼多的科學家和發明家二百多年之久,到現在還沒有人能夠輕鬆駕馭它?

文/劉百清

畢業於台師大物理系,之後任教職 30 年。對於海浪發電的研究長達 26 年,目前已經往前推進到第十六代的發明創作,曾獲得國家發明創作獎銀牌獎…等創新、發明獎項。

海浪發電的主要難題和關鍵竅門

  • 主要難題

大家一定很奇怪,為什麼一個看似簡單的海浪發電,會困擾全世界這麼多的科學家和發明家二百多年之久,到現在還沒有人能夠輕鬆駕馭它,讓它真正地商轉,發出源源不絕的乾淨電力,來為全世界的人類服務?任何海浪發電的研發一定會碰到以下幾個不易解決的主要難題:

  1. 金屬材料,不耐海水、浪潮的侵蝕破壞,極易生鏽腐爛。
  2. 浮動的結構設計不易固定,電力傳輸困難。
  3. 能量轉換效率差,維修昂貴。
  4. 功能少、發電成本高,缺乏經濟價值。
  • 關鍵竅門

除此之外,它還有一些「眉眉角角」,需要每一位海浪發電發明家好好去思考、解決的,否則,即使你把一個嶄新的海浪發電構想發明出來了,一樣是在作「虛功」,你的機械效率依然是偏低的,當然也是依然沒有商業化運轉的價值。以下筆者將根據自己二十多年的研究經驗,不藏私地把它歸納出一些相當有用的「關鍵竅門」,提供給對海浪發電有興趣的發明家作參考(或可免除許多不必要的「爬山涉水」之苦)。

  1. 海浪能量一定要加以濃縮:設計的關鍵,公式 P=F.v(功率=作用力 × 移動速度)「效率決定一切」。
  2. 要適度加以變速:法拉第定律→半直驅式。
  3. 簡單才是王道:成本、效率、維修…,其他海洋能也一樣。
  4. 縱深要與有義波(示性波)相配合:「串級式設計」可解決。
  5. 要有周全的防護措施:颱風、極端天氣→上、下死點觀念。
  6. 若採用浮動式:注意相對運動、錨錠問題。
  7. 面吸收優於點吸收:能量流觀念;失敗案例→Pelamis。
  8. 「規格化」、「模組化」的設計概念。
  9. 將海浪能與潮流能、離岸風力…互相結合,以分攤巨額的建置成本。

由於海浪發電的研發有這麼多的主要難題需要去克服,也有這麼多的「關鍵竅門」需要去拿捏、思考,因此,目前全世界的海浪發電廠全都是示範性質的,尚無一座真正商業化運轉的海浪發電廠誕生,而一般人一提到再生能源,大多指的都是「風力」與「太陽能」。

但其實,這兩種能源都是屬於「稀薄的」(diluted)能源,共同的缺點是單位面積的能量密度較低,售價昂貴、回收慢,通常要利用「政策補貼」方式來推動。而真正的未來明星產業--海浪發電,我們卻讓「它」在陰暗的角落裡躺了 215 年,至今猶沉睡未醒,嗚呼哀哉。

是一個「非常簡單」,也「非常困難」的科技領域

其實,站在物理學的觀點看來,海浪發電只不過是一種機械能(動能、位能)的傳遞和轉換而已,絕對不會像核能發電那麼複雜和高風險,然而,經過科學家持續地努力,核能發電早已經商業化運轉,發出源源不絕的電力為人類服務了;而海浪發電則是歷經了 200 多年不斷地研究,至今猶未能商業化運轉?!

雖然隨便一件實海況實驗的 prototype 造價動輒好幾千萬元,有些大尺寸的實海況模型樣機甚至高達數億元,不過,正由於全世界尚未有真正商業化運轉的海浪發電廠,「海浪發電」便成了台灣極少數可以迎頭趕上先進國家,甚至獨占鰲頭的未來明星產業。

但是,目前台灣國內除了工研院之外,只有少數個人和公司在投入海浪發電這個領域,而且都是埋頭研發、各自為政,然而,真正要推動這個潛力巨大的新興產業,啟動資金顯然不在少數,非區區數百萬元或數千萬元可以竟其功,如果大家依然持續目前這種「一盤散沙」、「單打獨鬥」的局面,不願意團結起來,結合成一些相關領域的大、小聯盟,並且導入政府的有用資源,以成就一個商機龐大的新興事業的話,那麼,想要跟資金雄厚的外國公司作研發上的競爭,幾乎毫無機會。

世界各國的因應和獎勵措施

  1. 去年年底在法國巴黎舉辦了一個「巴黎氣候高峰會」,全球一百九十五個國家的談判代表在會上通過了「巴黎氣候協定」,其目標是將全球平均氣溫升高幅度控制在攝氏兩度以內,國際能源總署甚至估計,若要達成這個目標,全球各國從現在到 2030 年共需投資 16.5 兆美元(約新台幣 540 兆元),發展再生能源和節能技術,各國政府必須鼓勵以潔淨能源發電。
  2. 其實,美國在「巴黎氣候高峰會」之前,早已嗅出了這個不尋常的潮流和商機,舉辦一個專門針對「海浪發電」的大獎賽--海浪能源獎(Wave Energy Prize ),第一名獎金高達美金一百萬元,希望藉由高額獎金的激勵,能夠儘快的找到海浪發電的旗艦機種,進軍全球高達美金數兆元的海浪發電市場。另外,美國微軟創辦人比爾蓋茲(Bill Gates)也在去年 11 月 30 日,宣布了兩項以乾淨能源:一是與二十多個科技產業領袖(包括阿里巴巴的馬雲)共組「突破能源聯盟」(Breakthrough Energy Coalition)投資基金, 二是推動各國政府加速乾淨能源研發的「創新使命」(Mission Innovation)活動。
  3. 另外,比上述這些信息更早、獎金更高的大獎賽,就是之前蘇格蘭政府所舉辦的蘭十字獎—-The Satire Prize,只要合乎他們所設定的門檻,獎金高達一千萬英鎊,以鼓勵全世界的海浪發電業者,讓他們能夠積極研發,迅速地邁向商業化運轉的階段。其活動宗旨內容節錄如下:

 

The Satire Prize will be awarded to the team that can demonstrate in Scottish waters, a commercially viable wave or tidal energy technology that achieves a minimum electrical output of 100 Gwh over a continuous two-year period using only the power of the sea, and just to be the best over our technology after consideration of cost, environmental, sustainability and safety.

 

而號稱「四面環海」的台灣則永遠都是在狀況之外,不但政府公部門不積極,連一些天使、創投之類的私領域單位,只要聽到「海浪發電」的投資計畫,幾乎多是拼命地搖頭,敬鬼神而遠之,任由他們「自生自滅」,即使榮獲了一堆大獎,也根本不會想要投資他們,對一些擁有極佳技術卻缺乏資金的微小企業影響非常巨大,甚至,會形成致命的「骨牌效應」,嚴重影響台灣海洋能產業的研究發展。

台灣可以怎麼做?

雖台灣已經在去年(2015)年初舉辦過一次「全國能源會議」,筆者也曾在會議中提出幾個建議,希望政府各有關單位作參考,目前看來似乎成效有限。今年五月,民進黨即將上台完全執政,他們口口聲聲要發展「再生能源」,但是單靠風力、太陽能這兩種傳統的再生能源,想要彌補核四封存之後所留下的電力缺口,談何容易?

另外,民進黨主張核一、核二、核三廠如期除役的政策立場不變,民進黨和黨團已將《非核家園推動法》列為這屆立院第一會期的重大優先法案,至於台電超額盈餘 3 百餘億元應如何處理,目前政院態度有意直接回饋民眾,蔡英文競選辦公室政策召集人、新政府準閣揆林全曾於內部討論能源政策問題時提出看法,他指出,台電超額盈餘應該不要「一次性處理」,尤其民進黨政府上任後將重新檢視和調整現行能源政策,強化再生能源、節電運動等各項措施,因此建議考量台電盈餘另建立制度化處理,以專款做為穩定電價、推廣節電措 、開發再生能源等多元用途。

這樣的看法顯然已經比原來行政院的態度(直接回饋給民眾)高明許多,筆者願在此另外提出一些個人的看法,提供給新政府有關單位作參考:

  1. 舉辦一次全國性(或華人地區)的「流浪大賽」,也就是「潮流」和「海浪」的國家級競賽,邀請全國對「潮流」和「海浪」的發明有興趣的團體或個人來參加,給定一些相同的水工模型實驗條件,如:水深、波高、週期、面寬……等實驗參數,集中在具公信力的實驗場所(如成大台南水工實驗所)做測試,然後聘請該領域的學者、專家,就未來「潮流」和「海浪」商業化運轉必備的選項如「機械效率」、「成本」、「存活性」等,擇優錄取前幾名優秀的作品,頒給高額的競賽獎金。
  2. 比照當年動用國家的力量推動半導體產業的作法,由政府強力介入,扶持新興海洋產業的發展:經由上述的全國性大賽,公平、公  開地挑選出最具商業化運轉潛力的「潮流」和「海浪」優秀機組設計,鼓勵其盡速成立公司,除了廣邀企業家、資本家入股投資之外,並且由一百億的行政院國發基金提撥一部分的資金,對優秀作品進行創業投資,加速其商業化的腳步和進程,共創多贏。
  3. 依筆者個人看來,廢核或反核的最佳配套措施就是「核四廠不續建,改為研究海浪發電的最佳基地」,其主要理由有三:藍綠雙方的最大公約數:
  • 藍營不用擔心未來的電源供應規劃問題,不用為將近三千億元的錯誤決策負政治上的責任;綠營則在「廢核四」的議題上取得重大勝利。
  • 核四廠若移作海浪發電基地,可將不穩定的海浪能轉換成電力並作初步整流之後,將水電解成氫和氧,除可發展氫能、燃料電池產業之外,還可與天然氣搭配使用,並作為北部地區的供氫站。
  • 在全國通力合作之下,讓海浪發電真正地商轉,並以台灣作為全球海洋能產業研發基地,進軍全世界上百兆元的新興藍海市場。

面對目前核四停工、封存,在台灣未來的電力規劃上留下了一個很大的缺口,許多人都在憂心未來能源該何去何從?但「危機就是轉機」,台灣國內真正的有識之士和有關單位應該趁此良機,以長遠的眼光和宏觀的視野,好好地規畫一下,台灣未來能源的下一步應該怎麼走?大力發展海洋能源 ,並進軍全球商機高達上百兆元的海浪發電市場,或許正是其答案之一。

封面圖片來源:pixabay

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