台灣海洋溫差發電的展望

海洋資源，不可忽視

能源是人類生存及經濟發展所不可缺少的，自從能源危機發生以來，舉世天天都注目於能源問題。能源問題與國際關係、國防力量，甚至與錯綜複雜的政治也糾纏不清。由於傳統的石化能源愈用愈少，且不可能再生，而核能發電雖然來源尚稱充足，但工業先進國家對核能發電的安全問題仍抱極審慎的態度，雖然核能電廠仍在興建中，但核能決不可能取代石化能，而解決未來的能源問題。因此人類把希望放在再生能源上──如水力、太陽能、生物能、海洋能、風能等，這些非傳統性能源也稱為替代能源。基本上，它們仍然是太陽能，因為太陽生生不息，所以這些替代能源也就永不匱乏了，另外一個最大的好處是再生能源幾乎沒有污染的問題。

根據經濟部民國六十七年的資料，國內能源的分配，石油佔76％，煤10％，水力5％，天然氣7％，核能2％，其中百分之九十以上有賴進口。台灣是海島，陸上資源有限，而四面環海，海洋的資源不可忽視。海洋能包括溫差、鹽差、海流、潮汐及波浪。根據美國Scripps海洋研究所艾薩克博士（J. D. Isaacs）的估計，世界上可供開發的海洋能源，溫差為4,000×10⁶萬瓩、鹽差140×10⁶萬瓩、海流0.5×10⁶萬瓩、潮汐0.27×10⁶萬瓩、波浪0.25×10⁶萬瓩，由此可知海洋能的來源十分龐大。可惜世界上只有法國的倫斯河口潮汐發電廠，其24萬瓩的電是真正取之於海洋的能源。這是因為利用海洋溫差、鹽差、海流、波浪等發電的技術條件不夠，目前尚無商業化的電廠。

利用海流、波浪來發電比較容易了解，不必說明。至於溫差與鹽差又是怎樣一回事呢？溫差在下文中將詳細解釋。鹽差發電的理論是根據存在於河口的淡水與海水之間的鹽差（海水的鹽度約為3.5％），如有滲透膜相隔，則可產生巨大的滲透壓，使淡水水位高出海水水位而便利發電。基本上，自海水中把淡水蒸發出來需要極大的能量（陸上的淡水主要由太陽照射海水蒸發到空中，然後降雨到地面而來」，相反的，淡水與海水之間也就儲存了能量。可是目前要利用這種能量發電在技術上尚有困難，所以我們排除鹽差這一項。前面已經提過，潮汐發電已經有商業化的大型電廠，因此只要自然條件夠，就可以開發電源。

溫差發電，前途看好

對台灣而言，沒有大潮差及適合的海灣可供建潮汐發電廠，所以只剩下溫差、海流與波浪三項。就目前而言，將上述三種海洋能轉換為可供人類利用的電力，已無技術上的問題，問題在是否合乎經濟原則。是否經濟的因素有三：一、自然的條件，二、技術本身，三、傳統能源的價格。第二與第三因素暫不考慮，上述三種海洋能那一個最有發展的潛力呢？在自然條件裡，有一項不可忽視的因素，即能源密度；如果能源密度低，能源轉換器必然要很大，因此要達到合乎經濟原則就比較困難。本文以單位海水質量所含的位能作為能源密度的定義，其單位為公分／克。假定海水降低1℃，其熱量被吸熱裝置所吸收，亦即每克水釋放出1卡熱量（根據熱功當量等於4.18焦耳），可以把這一克水高舉426公尺，也就是它的能源密度等於42600公分／克。假定海流的速度為1.5公尺／秒，能源密度為12公分／克，波高為2米，並假定波能集中在表面一個波高的水深中，其平均的能源密度為25公分／克。

由以上的分析，我們知道溫差的能源密度最高，是海流的3500倍、波浪的1700倍，即使利用海流與波浪發電的效率高於溫差20倍，溫差發電仍然佔極大的優勢。對台灣而言，波浪很不穩定，一年之中波高超過2公尺的時間不長。而溫差的條件則十分理想，在東部有黑潮流經，全年月平均表面水溫在23∼29℃，如深層冷海水的溫度為5℃，則溫差在18∼24℃；月份中以1月水溫最低，7月最高。由於冷海水在深海中，1000公尺等深線離岸越近越好，台灣東部1000公尺等深線距岸最近的約4公里，在10公里以內的地方很多。台灣唯一的缺點是颱風波浪大及海流湍急，將提高海洋工作的投資。

動力系統─開放式與密閉式

溫差發電的構想早在1880年法國人達松發（A. d'Arsonval, 1851∼1940）就已提出，到了1929年他的學生克勞德（G. Claude）在古巴海岸建了一座22瓩的海水溫差發電試驗工廠，可是消耗的電還大於發出的電，由於當時的石油太便宜，所以政府無興趣繼續研究。克勞德的試驗工廠的動力系統是用開放式循環（open cycle,見圖一），將熱海水抽到去氣器，排除溶解在水中的空氣、二氧化碳等不易液化的氣體，然後送入低壓蒸發槽蒸發為水蒸氣（在接近真空的蒸發槽中，海水便沸騰了），水蒸氣推動渦輪機帶動發電機發電，再進入凝結槽，由冷海水透過熱交換器把水蒸氣再凝結為水，這樣凝結出來的水已經是淡水了。開放式循環的優點是蒸發槽無熱傳的問題，另有副產品──淡水，缺點是去氣器需耗能源，蒸氣壓力低，渦輪要大。

1973年能源危機以後，世人又重新注意溫差發電，尤其是美國，今年在夏威夷曾經成功地發出5瓩的淨電力，是真正來自溫差的能源。現在美國流行的是封閉式循環（closed cycle,見圖二），在一封閉的循環中，用氨為工作液體，因為氨的汽化與液化的溫度就在常溫附近。用熱海水在蒸發槽把液態氨汽化為氨蒸氣，推動渦輪機發電，然後氨蒸氣流到凝結槽，用深海的冷海水把氨蒸氣凝結為液態氨，再用幫浦把凝結槽的液態氨送回蒸發槽，完成一個循環。據悉，目前封閉式的效率比開放式高，所以大部分的研究以封閉式為主流，但也不放棄開放式的研究。封閉式循環最大的困難在熱交換器的熱傳效率及生物附著的問題。

筆者曾參加1980年在美京召開的第七屆海洋能會議，在最後綜合討論中，與會人士認為動力系統部分，包括熱交換器、低壓渦輪等技術及生物附著問題的解決已經成熟，目前已足以作一真正溫差發電廠的設計，所缺者僅長期的海中試驗而已。在增加熱傳效率方面，利用加鰭或加槽等增加接觸面積的方法；在材料方面，採用最安定不易腐蝕的鈦合金，可是鈦合金太貴，因此亦考慮用鋁合金，目前的努力方向是尋找價廉、耐用、效率又高的材料。至於生物附著問題，本來可能是一項致命傷，因為只要在熱交換器面上長上一點點海洋生物，熱傳效率就降低很多，目前採用的方法有氯處理、機械式刷除及化學處理等，據說效果很好。

海洋工程

海洋溫差發電有兩大問題，一個是前面提到的動力系統，目前已不是大問題了；另一個是海洋工程。海洋工程與建廠的型態及當地的環境有很大的關係。工廠的型態分為兩類：一、浮動式，二、固定式。浮動式在形態上可分船式與圓筒式，在操作上又可分遊牧式與錨碇式。所謂船式，就是工廠如同一艘船；而圓筒式工廠則像一個大圓柱，不過無論那一種，都需要垂直下接一根長達800公尺、直徑10公尺以上的冷水管（見圖三）。遊牧式是工廠本身有動力，可以避颱風，那裡溫差大就開到那裡去，發的電再電解海水，生產氫作為燃料。錨碇式是將工廠錨碇在一定地點。目前比較為人所接受的是錨碇的圓筒式。

固定式也可分為深海固定平台、淺海固定平台，與岸上設廠三種型態。深海固定平台即在800公尺水深處，建造一座如同海域石油開採的平台，平台的柱子就當作冷水管之用，由於平台太高，必須在四周加鋼索拉緊。淺海固定平台（見刊頭圖）建在水深100公尺左右的大陸棚上，於海域石油開採中已經具備在這種深度建平台的技術，只剩下海底冷水管一項較難。在適當地點（如台灣東部）海底冷水管的長度大約五公里左右。岸上設廠即把工廠設在岸邊，另加一海底冷水管，這種型式必須有特殊的地形，即岸邊坡度很陡的地方。深海固定平台困難尚多，尤其台灣浪高流急就更困難。淺海固定平台與岸上設廠相比，前者優點較多，一、淺海固定平台可建廠的地點較多；二、抽海水不必抬高到海平面以上，節省抽水的電力甚鉅；三、海底冷水管不經過淺灘地區，減少工程費；四、不必在岸上尋找建廠土地。岸上設廠的優點只是不必建平台，工廠在岸上，人員比較舒適。綜上所述，固定式以淺海固定平台為主流。

錨碇浮動式

對錨碇浮動式溫差發電廠而言，主要的困難有三：一、冷水管，二、錨碇，三、電纜（與工廠相連活動部分）。玆分別解釋如後：一、冷水管長約800公尺，管徑在10公尺以上，水面浮體受波浪的作用作三個方向的直線運動與三個方向角度運動，因此連帶冷水管跟著運動，造成極複雜的振動問題，管壁受振動性應力，材料容易疲勞。另外，海流作用在冷水管與浮體的牽引力，也將對管壁造成大的應力；冷水管的施工與修護，也是其中困難之處。二、錨碇：如果海流流速為3節（約1.5公尺／秒），冷水管管徑15公尺，管長為800公尺，所受牽引力約為100噸，必須有特殊的錨碇設計才行。三、電纜：由於溫差發電浮台受波浪海流的作用，不斷在運動，因此與之相連接的海底電纜也不斷受到巨大的拉力。海底電纜在水中必須完全與水隔絕，在極高的水壓下不能漏水，又要抵抗振動性的巨大拉力，這就是困難的地方。

淺海固定式

對淺海固定式的溫差發電廠而言，沒有上述的三個困難，卻另有一個困難，就是長達數公里的海底冷水管。海底冷水管的主要困難在施工與維護，運動時所受的力並不大，因為它可以躺在海底，或分段錨碇在海底，在深海不受波浪的作用，深海海底的海流也很小。以台灣的條件來看，筆者以為選擇淺海固定式最為合適，因此吾人首先要突破的困難只有海底冷水管一項而已。

根據目前的資料，產生一萬瓩的電力大約需熱海水24立方公尺／秒，冷海水13立方公尺／秒。各位讀者可能心裡有一個疑問，就是自800公尺深的海中抽大量的海水上來所耗的電，可能大於所發的電！根據流體力學的原理，把水自800公尺深處帶到水面（不超出水面），如果不考慮海水密度差（因為深海海水冷，密度較高）、動能及摩擦，應當不需花能量，因此抽冷水時只要抵抗摩擦及密度差所造成的負荷，這個量並不太大。

結語

民國六十九年九月廿七日中央日報報導，台電公司朱總經理曾表示核三廠的第三、四部機將利用海洋溫差發電。如圖四所示，在紅柴外海2公里多水深就可達到300公尺，300公尺深的海水溫度比水面約低12∼15℃，而核能電廠排出的冷卻水的溫度高出原來海面水溫10℃，因此就有22∼25℃的溫差。溫差發電廠只要設在紅柴岸上，抽取約2公里外300公尺深的冷海水到岸上，同時把核能電廠的熱廢水引到紅柴，便可以作溫差發電了。如此海洋工程的困難，則縮小到建一條不太長不太深的海底冷水管而已。該計畫一方面可以把溫差發電的大部分技術在國內建立起來，另一方面又能解決核能電廠熱廢水污染問題，因為溫差發電過的冷熱海水混合放流，溫度大約只有26℃了。另外由於冷海水含養分很高，在海水混合放流附近的海域必然造成一小型漁場，幫助漁民的收益。台電公司的決定實在是明智之舉。

美國西屋公司根據一部核能發電機排出的熱廢水為43立方公尺／秒，來計算所能產生的淨電力與溫差的關係。如圖五所示，溫差與產生的電力並非直線

成長，一部核能發電機所得到的淨電力在1.2∼1.5 萬瓩之間，對替代能源而言，已經不是一個小的發電量了。當然吾人不能就此滿足，真正大量開發海洋溫差能源仍然在台灣東部，謹寄望有關能源研究的單位配合台電在核三廠的計畫作嚴密而又長遠的規畫，將來在台灣東部大量開發安全又清潔的海洋能源。

梁乃匡現任教於台灣大學海洋研究所。

回到最上面

科學月刊全文資料庫

最佳瀏覽解析度800*600，請使用IE4.0以上版本的瀏覽器

科學月刊雜誌社．金台灣資訊事業有限公司．圖龍文化事業股份有限公司版權所有
Copyright 2000 Science Monthly and King-Taiwan Information Technology Inc. All Rights Reserved.