現代生活離不開電力，過去幾場探索基礎科學講座中，我們討論了不同乾淨能源在臺灣的發展和可行性，包括小型核電、太陽能、地熱和風電等，而臺灣東側穩定且強勁的黑潮，讓臺灣成為全球少數擁有洋流發電優勢的國家之一。
今天的探索基礎科學講座，我們邀請到臺大工程科學及海洋工程學系郭振華教授，為我們揭開黑潮洋流發電的奧祕面紗，探討這個在海平面下漂浮的渦輪機陣列，如何將黑潮的動能轉化為電力，成為臺灣穩定的綠色能源之一。
臺大工程科學及海洋工程學系郭振華教授。圖片來源：截取自台大科教中心 YouTube
浮游式黑潮發電系統的結構
由於黑潮厚度達500公尺，寬度至少100公里，且平均流速介於1-1.5m/s間，若黑潮能量被有效運用，將可替臺灣提供穩定且乾淨的電力，但臺灣東側海域常面臨颱風過境，帶來的長浪和惡劣海況會破壞水面結構物，若要達成東部海域長期發電，必須有避颱措施。
洋流發電機的原理類似於大型水下滑翔翼，而水下滑翔翼在水中改變深度和姿態方法有兩種：一是透過船載電力推動螺旋槳或舵；另一種是利用滑翔翼本身的浮力和重力差來控制，當重力大於浮力，載具利用本身機翼翼形就能在水中滑行和改變方向，
大型水下滑翔翼。圖片來源：截取自臺大工程科學及海洋工程學系郭振華教授簡報
如此一來，滑翔翼在水中吸水和排水就成為整趟航行中唯一耗電的過程，大幅提升深海滑行的效率，也因此能在水裡航行數週或數月，甚至跨大洋。郭老師的團隊將大型水下滑翔翼的概念應用在浮游式洋流發電機的設計上，讓發電機在水中自由浮沉，使之得以浮/沉至最大流速的水層發電，並躲避颱風。
浮游式發電系統包括洋流發電機、單點繫纜和錨碇，單點繫纜的其中一端連接錨碇，另一端連接洋流發電機。錨碇和單點繫纜將整個發電系統繫留在固定區域內，讓洋流發電機在該區域內自由運動，因此設計時需確保海流等外力不會將發電機帶離設計區域。
相較於多點繫纜，單點繫覽使洋流發電機能像風箏般自由地在水層中運動，也降低布放和回收發電機工作的複雜度。錨碇設計牽涉到海底地質情況、水深和水流穩定度，因此需事先調查這些洋流參數來判斷洋流發電是否符合經濟效益，並根據不同海底地形量身打造最適合的錨碇。
洋流發電機設計參數和工作模式
洋流發電機設計參數可分為流速性能參數和葉片性能參數。流速性能參數包括啟動流速、額定流速和切出流速；葉片性能參數包括軸向力係數、扭矩係數和功率係數。
當流速到達閾值時，流體給葉輪的扭矩能克服發電機樞紐和傳動系統摩擦力矩，讓葉輪開始轉動，此閾值稱為啟動流速或切入流速。當流速到達閾值後，發電機輸出的功率不再明顯變化，此時發電機輸出的功率稱為額定功率，對應的流速稱為額定流速。
當流速超出設計上限時，必須讓發電機停止運轉，避免損害發電機，此上限流速稱為切出流速，葉輪切出後發電機就不再運轉。當流體流經翼形扇葉時，會產生軸向力和扭矩，軸向力將洋流發電機向後拉，讓洋流發電機遠離錨碇，扭矩則作用在扇葉的旋轉中心，使扇葉旋轉。
圖左為主持人東海大學通識中心李承宗助理教授、圖右為講師郭振華教授。圖片來來源：台大科學教育發展中心
發電機葉片能有效的將流體動能轉換成帶動發電機旋轉的機械能，轉換效果會受葉片幾何形狀影響，而葉片從流體中擷取能量的比例稱為功率係數。由於洋流速度會隨時間和季節變化，為使發電機輸出功率在不同流速下都保持最佳狀態，郭老師的團隊預計開發最大功率追蹤系統，希望最大化發電機輸出效率。
浮游式發電機的工作階段大致分為三部分：第一階段是將洋流發電機放到浸水面處，以進行布放或回收作業；第二階段將洋流發電機下潛至最大流速的深度，讓葉輪持續轉動產生電力；第三階段是避颱階段，在當颱風接近時，使發電機下潛至避颱深度以躲避長浪和惡劣的海況。
在海底發的電通常有兩種利用方式，一是提供海上電力設施，有些海上電力設施離岸較遠，不方便由岸邊供電，若將洋流發電機放在工作設施附近提供電力，將可大幅提高發電機和電力設施操作效率。第二種是透過海纜將電送到陸地併入陸域電網，概念類似海上風機發電。
浮游式黑潮發電機相關研究計畫
郭振華老師的團隊在投入洋流發電機之前，已對無人水下載具系統、深海遙控載具操作和維護，以及深海聲學探測等領域有諸多研究，為團隊建立黑潮洋流發電機開發提供堅實基礎。
浮游式黑潮發電機發展時程，總共分成三個階段。第一階段是研究海流發電平臺技術，目標在建立黑潮發電機組系統設計的分析能力，包括建立洋流發電平臺動態反應分析程式、分析洋流發電平臺的流體動力、分析洋流發電平臺技術可行性分析、規劃黑潮發電技術現況研究和發展藍圖等。
在3個不同場景中，黑潮電場均化成本（LCOE）分析。圖片來源：截取自臺大工程科學及海洋工程學系郭振華教授簡報
第二階段以電廠規模商轉時每度7元新臺幣為目標，設計和開發浮游式黑潮發電機組系統，包括設計和製作系統各個構造、設計並展示小尺度模型實驗發電、掌握海流特性等，甚至近一步評估大規模設置海潮發電機的發電成本。
第三階段是測試中尺寸海流發電原型機實證測試，主要開發葉片、發電機和錨錠，並開發實證機系統，目標完成先導示範機組海域測試。
郭老師的實驗室和國科會、國家海洋研究院，以及中研院合作，共同投入黑潮洋流發電的研究，也和東京大學簽訂合作備忘錄(MoU)，與同樣有黑潮流經的日本共享技術和知識，希冀善用黑潮這份得天獨厚的資源，讓臺灣朝淨零目標更邁進一步。
（延伸閱讀：四面環海的台灣能靠海發電嗎？海洋能最有潛力在這裡！還有哪些挑戰要克服？）
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