未來的潛力股海浪發電！ - 海洋能源【超異想進化論】＿EP08

地球上97%的水都在海洋中 有深不可測的海溝 也有繽紛的海洋生物 包含太平洋 大西洋 印度洋在內 每個大洋都有自己獨特的洋流和潮汐系統 壯闊無比 但是有海洋學者認為 人類迄今只探索了5%的海洋世界 難怪人類對海的好奇心 源源不絕 因此相對於過度開發陸地所帶來的能源危機 海洋蘊含的能源 極有可能是當今及未來能源問題的極佳解決方案 太陽輻射造成大氣循環 繼而產生風吹動海水 使其產生波浪 而在日月運行 萬有引力與地球自轉影響下 產生潮汐變化 現在是退潮的時候 如果遇到漲潮 我可是沒有辦法像現在這麼悠閒的坐在這裡 所以你們可以想像 在這個潮汐的漲退之間 可是有股很大的動力蘊藏在其中 歐洲的潮汐模仿 是早期工業國家走上發財致富的道路 在英國至今都還保留著 此外海面與海面下的溫度差異 也能孕育出豐富的海洋能量 綜合許多原因造成洋流 海洋能源可以說是無窮無盡的可再生能源 1970年代初期 由於石油危機的緣故 英國 日本 挪威等海洋能源豐富的國家 開始進行洋流發電的研究 利用海洋中部分海水 沿一定方向流動的動能發電 因其原理與風力發電裝置類似 故又稱為水下風車 在海浪發電方面 多年來多國陸續投入 特別是英 澳 日等海島型國家 而臺灣針對海浪能源的研究 包含工研院及民間公司 學術單位 與個人投入海浪發電領域持續研發 甚至榮獲國內外許多大獎的肯定 是第一次來臺灣玩嗎 第一次來臺灣 從新加坡來的 歡迎新加坡的朋友 那現在有個問題想要請問你 就是我們一想到這個海的話 你第一個聯想到的是什麼呢 聯想到就是自由自在 對 沒錯 好 那接下來進階題 想要問你一下 我手上有這六張圖 那它們其實都代表著 六種不同的再生能源 想請問有哪幾個是你認得的呢 可能就是用風的 是 用風的吧 還有這個用水的吧 對 沒錯 然後可能就是太陽的能源吧 對 然後其他的我就不太瞭解了 就讓我為你們揭曉吧 這個是潮汐發電 這個是溫差發電 那這個呢 就是洋流發電 你們猜對了嗎 潮汐能主要集中在 狹窄的前海 港灣和海峽 例如在加拿大芬迪灣 和法國的狼斯河口 而第一座的大型潮汐電站 位於法國 相較於潮汐 由於海浪力量實在太大 較不易於人類掌握 你們都有看過 少年拍的奇幻漂流這部電影嗎 除了海浪有巨大的力量之外 其中少年拍之所以可以跟老虎 一起經歷這趟奇幻的旅程呢 靠的就是洋流的力量喔 另外還有利用海洋表面 和海洋深處海水之溫差 以熱交換原理來發電的溫差能 以及河水和海水交界處 利用海水淡水 鹽度的濃淡差異 所創造的鹽差能 都是海洋能源豐富的展現 海浪力量莫測高深 超過我們的想像 而潮汐 洋流 海浪 溫差 鹽差 這集中海洋能源的探索 芳心未艾 海洋這個大舞臺 人類是否真有能夠駕馭的一天呢 教授那現在你總算可以跟我講 到底這是要做什麼實驗了吧 今天我們要做海浪發電 這是第一個實驗 喔 海浪發電喔 教授我很好奇 就是因為近期啊 我也都沒聽到海浪發電 有什麼樣大規模的 做商業化的運用 所以說我想知道說 到底海浪發電 是有什麼特別的困難性嗎 首先我們必須注意到 海浪非常凌亂的情形 海浪的運動忽上忽下 忽快忽慢 它的波形 波高 頻率 乃至於同調性都會不斷的變化 這不同於一般的能源 或者是綠色能源 所以我們不能用人們常知的方法 去設計海浪發電機 那它的癥結點是什麼呢 這個涉及到做工原理 當我們對一個物體施力時 如果物體同時 順著施力的方向運動 我們纔有對物體做工 因此纔有對物體傳遞能量 而改變它的動能 例如用很大的力量 提一個重物的物體 但是物體只是懸空靜止不動 這樣的話 就沒有對物體做工 另一方面 雖然地球也吸引著物體 因為物體不動 所以也沒有對物體做工 因此物體的動能就不會增減 同樣的道理 海浪衝擊岩石的時候 可能對岩石施加很大的力量 但是岩石聞風不動 則海浪就沒有對岩石做工 也就沒有傳遞能量給岩石 海浪對取能裝置有重力的時候 取能裝置必須同時運動 或者是有位移 海浪才會對取能裝置做工 如果取能裝置機械設計很複雜 當海浪給予取能裝置 反復無常的力量的時候 取能裝置運動情形就很差 所以能量轉換的效率就很差 那這個實驗的設計原理是什麼呢 在這個設計中 先把凌亂海浪能 用簡單可行高效率的方法 轉換成凌亂的電能 儲存在電容和電路系統中 然後再用電路技術 整合成穩定的電力輸出 你看這整個發電系統浮在水上 分為海上平臺 以線性發電機還有管理電力 這個裝置叫做取能浮體 會受海浪衝擊而運動 而獲得海浪能 用各種巧妙的辦法 讓海上平臺在海浪中 維持相對的穩定 當取能浮體受到海浪的衝擊時 就會吸收海浪能 並驅動發電機發電 然後我們用電容 把發出來的電力儲存起來 那教授你剛纔有提到說 海浪它的行為是比較凌亂的 那在於海洋能這一塊的話 有沒有什麼是比較穩定的呢 洋流向風是比較穩定 但是洋流的速度不快 又分佈在離岸較遠的深水地區 所以開發洋流發電也是蠻貴的 那難道這個洋流發電 它是可望而不可及的嗎 那不一定 那要看科技發展的情形 洋流發電跟風力發電很像 是利用渦輪葉片 受到洋流的驅力而轉動 進而轉動發電機發電 那根據熱脹冷縮的原理 當水的溫度越低 它的體積就越小 那水的溫度又再更低結成冰 那冰的體積又更小 這樣子的話它最後沉到海底 那會怎麼樣啊 那地球的生態跟氣候 都會受到嚴重的影響 還好水結成冰的時候 體積反而變大 所以它浮在海面上 不過冷水的體積 的確比溫水的體積小 所以冷水的密度高 會下沉到海底去 水在攝氏四度的時候 密度最大 所以海洋深處的水 溫度大約在攝氏四度 在熱帶地區 海水錶面的溫度 大概可以高達二十幾度 只要有溫度差 我們就能夠把 海水內部的能量取出來 那我們可以用什麼東西 來取出這個能量呢 當然是用熱機或是熱電晶片 我現在展示的 也是其中之一種熱機 叫做斯特林引擎 好 那你看喔 這樣一樣 這個是代表熱水 那我看起來 溫差 海水溫差就能發電 這個放上來 要等一下 好 要等一下 等它熱的時候它就會轉 然後呢 這一樣 它還是維持在上下的溫差 其實如果不用這種形式的熱機 也就是不用斯特林引擎的話 我們可以用其他的引擎 包括像這個 像有點像蒸汽渦輪機 這樣的東西 芯儀你看 這個是個熱電晶片 然後呢 這下面這個是一個 我等一下會把熱水放上去 讓它很燙 好 上面這個放冰塊 它這個溫度差 剛纔不是講了嗎 溫度差它就會產生電力 然後這個會轉 對 我現在把它倒進來 好 我們全部都不要動 好 然後你現在把冰塊放上去 為什麼我還沒放冰塊 它就開始轉了 對 因為現在這上面還很冷 那下面已經熱了 所以它就開始轉 可是如果你不放冰塊的話 它慢慢上面就跟著熱起來 那這個熱起來之後 它就沒有溫度差了 它就不能發電了 瞭解 所以這個叫熱電晶片 很好 你注意看 它會滑掉 不過海水溫差發電的難度很高 因為深層海水跟表層海水的溫度差 實在很小 根據熱力學原理 如果溫度差小 熱機的效率就低 所以海水溫差發電 距離使用還一段相當的距離 心儀 直接利用海水的動能或是位能 看起來是比較有潛力的 教授你在說的是潮汐發電嗎 對 潮汐發生的原因 是因為月球對地球各部分的引力 不均衡造成的 當然太陽的引力也有一定的影響 因為地球自轉 當月球經過頭頂 或者是正下方地球另一端的時候 經過不久就會發生漲潮 所以每天有兩次漲退潮 因為月球也繞著地球轉 所以它每天經過頭頂的時間不一樣 所以每天漲退潮的時間也會有改變 這樣聽起來滿可靠的 教授目前已經有人在做這方面的研究嗎 當然有 你看這就是一個最常見的設計 基本上就是在海邊建造一個水壩 水壩的底部有一個通道 漲潮的時候 海水經過通道進入水壩 就能推動通道中的渦輪機轉動 渦輪機再驅動發電機發電 退潮的時候 海水經過通道回到大海當中 又能轉動渦輪機再次發電 雖然潮汐發電非常穩定 但是它需要佔用比較大的空間 原來海洋中還有這麼多能量 還有更不可思議的 那就是鹽差發電 不過技術的難度更高了 鹽差發電與因為鹽分不同造成的滲透壓有關 滲透壓能夠透過滲透膜提高 鹽分較高的水面高度 你看這個植物 這個植物失去水分之後 細胞裡的水分減少了 壓力也減少了 所以就失去了支撐力 整個精液就枯萎的軟下來 如果再把它浸到水中 水又經過細胞膜滲入到細胞裡面 因為滲透壓的關係 所以細胞又鼓脹起來 又有力氣抬頭挺胸 我們可以另外用雞蛋來做實驗 雞蛋的膜就是一個滲透膜 雞蛋裡面不是純水 含有其他物質 當滲透膜接觸到純水的時候 純水就會滲入到雞蛋裡面去 而增加雞蛋裡面的壓力 我們就可以利用這個壓力 來提高水位的高度 有些科學家非常具有想像力 想利用滲透壓 讓河口的淡水經過滲透膜 滲透到鹽分較高的海水當中 而提高海水的水面高度 再利用這個高水位 留下來的水來發電 不過這需要大量的滲透膜 也是具有一定難度的 原來海洋能源還有這麼多 需要進步的空間 教授目前臺灣有沒有什麼人 是在朝這個方向努力呢 我都已經給你準備好了 到時候你就會知道了 好 今天的臺灣之光 明明就跟我約在這裡 可是到現在 我卻一個人都還沒看到 看來是個非常神祕的人物啊 教授 怎麼會是你 沒錯 海浪發電的研究 在臺灣已經沉寂了好一陣子 今天就由我來 向大家介紹海浪發電 好喔 那現在讓我看看 有什麼可以幫你的 這個叫取能附體 我們等一下把它鑽起來 全世界雖有許多 不同的海浪發電系統 但至今還沒有一個 大規模的商業運轉 教授藉由多年來物理學的 仔細分析研究 確認了各種海浪發電機 失效的主因後 創作出這個海浪發電機 教授經多年研發 並帶領許多師生投入 才讓這部裝置 逐步接近使用 對 你看 這整個海浪發電機 都浮在海浪當中 但是這個平臺 在海浪它相對來講 比較穩定 不會晃動 但是浪來的時候 會把這個取能附體驅動 這個取能附體 在推動洩進發電機當中的 一個超強磁鐵 那這裡有很多感應線圈 就會產生電力 多餘的電力 儲存在這個電容裡面 就相對來講 比較穩定的輸出 推動LED燈 讓LED燈亮 教授曾經以簡單的原型機 在萬能科大溫水游泳池中測試 在浪高約0.2公尺 週期約1秒左右的浪中 寬度約2公尺的海浪發電機 已經可以發出連續點亮 500顆LED燈的電力 轉換效率已經達18% 教授像我們近年來 都在討論所謂的再生能源 那您覺得海浪發電 在未來可以對再生能源 有什麼樣的貢獻呢 海浪發電在我們國家 曾經花了一段時間去研究 事實上因為海水的密度很高 所以它帶的能量是滿大的 這是一個 另外一個它就是說 海浪中年不歇 甚至晚上 白天都有 而且它比風力 似乎還更穩定一點 所以它的發展的潛力 是在相對於風力來講 它是有它的可觀性 所以我們事實上 我們應該花更多的時間 花更多的資源 去研究海浪發電 那像剛才我們那樣的裝置 你覺得可以怎麼樣 讓它未來運用得更好 剛才那個裝置 事實上是根據理論計算 發現世界各地 其他的海浪發電機 不能夠成功的原因 之後我們再設計出來 這樣的一個海浪發電機 它基本上在原理上是可行的 那我們未來的做法 就是把剛才的一些 各個零件的部分 把它做最佳化 只要最佳化 我們用現有的技術 就可以最佳化 就能夠實現它 海浪發電的運轉 所以剛才那個實驗 其實已經證明瞭 它的可行性 而且你可以看出來 浪的能量非常之大 對 非常滿開心的 真的 覺得很期待 由於氣候變遷 太平洋島嶼 因海水上漲而淹沒 島上居民變成了氣候難民 未來將有機會 創造一座座人造福島 成為未來人類的烏託邦 生活充滿科學 科學實踐生活 做大事不做大官 這句話隱藏著 一個重要的史觀 人類歷史的主流 在於突破自我的限制 發展新的科技與文化 進而成就一段 造福人類豐富生命的歷程 而佔地表71%的海洋 蘊含著尚未開發的無窮能源 現在人類開始企圖 利用海洋能量 也許也能為世界 做出大事 立下大功 超愛想進化論 為你串起過去 現在與未來的科學方程式 我們下次再見啦 拜拜