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七美智慧電網,讓明滅燈光下的淒美故事成為絕響

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2018/09/21 ・4514字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 579 ・九年級

本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託,泛科學執行

  • 文/廖英凱

19 世紀 80 年代後期,供電系統與輸配電系統開始商業化興建,與隨之而來的關於直流電與交流電的「電流戰爭」,在往後的一個世紀中,供電系統快速地建設到了多數人的家中,從翻山越嶺的高壓電塔,隱藏於城市中的電氣地下化,到連結離島與離岸風電的海底電纜。輸配電設施的涵蓋程度,有時更超過了公路交通系統。對於當代社會來說,輸配電系統的連結,更是提升生活品質與經濟發展的基石。

圖/pixabay

隨著 21 世紀資訊與通訊技術(ICT)的興起,我們開始可以看到各 ICT 業者,推出了智慧插座,智慧家電等產品,讓你可以輕易利用行動裝置,控制或了解家中電器產品的狀態。然而,對比起作為基礎建設的輸配電系統,似乎就少了一些與時俱進的「智慧感」,例如家家戶戶樓下的傳統電表,是仰賴電流的電磁感應,使電表中的鋁盤產生渦電流,而得到轉動的力矩,再利用鋁盤的轉動帶動計數器而記錄能耗[1]

台電公司再定期派員抄寫電表,來通知用戶繳交電費。或例如大尺度的電網供電與發電廠調度,也因特性為集中式發電與階層式電源調度和輸配電,而相當仰賴歷史經驗的判斷,對整體系統上的各環節難以監測與即時調整。

此外,隨著太陽能與風力發電的佔比提升;再生能源裝置的分散性;與發電功率受天候影響而不穩定的特性,也成了未來輸配電系統營運特別需要考量的因素。因此,2010 年起,能源國家型科技計畫就開始推動「智慧電網與先進讀表主軸專案計畫」;2012 年,行政院也核定通過「智慧電網總體規劃方案」,選定了數個規模小、電力系統獨立且有再生能源發展潛力的離島,作為發展智慧電網的先發試驗場域。

如今,七美不只有雙心石滬,陳朝順博士的研發團隊還在此完成了智慧電網示範系統。圖/wikimedia

2018 年初,義守大學電機系講座教授陳朝順博士所率領的研發團隊,在澎湖七美完成了智慧電網示範系統,利用能源管理系統、儲能系統與智慧變流器的搭配,實踐了穩定可靠,又可降低離島高昂柴油發電費用的智慧電網。

七美智慧電網:再生能源高佔比的前哨戰

七美是澎湖群島中最南端的大島,佔地近七平方公里,常住人口約為兩千人。由於七美與澎湖本島和臺灣本島之間,並沒有海底電纜相連輸電,長年以來,七美發電廠設置了總裝置容量為 4000 kW 的四座柴油發電機組,為七美島提供每年約八百萬度的發電量。然而,柴油發電成本每度電高達十七至十八元,對離島發電經營是沉重的負擔。

過去幾年,台電公司也在七美設置了 400 kW裝置容量的太陽光電,目前也已規劃設置風力發電。當再生能源的佔比逐漸提高時,天候與故障等變動,會嚴重影響到整體系統的負載能力,而可能發生如815停電時,因備轉容量 10% 的電廠故障,而導致全台大規模的停電。因此,在高佔比再生能源的情境下,讓供電穩定又能降低發電成本,就是智慧電網在此發展的首要任務。

七美智慧電網架構圖。資料提供/陳朝順教授 圖/泛科學重制

七美智慧電網的架構,是在電力系統上,將既有的柴油發電機、太陽光電與儲能系統與規劃中的風力發電系統相連,各個電力設備上裝設由光纖網路相連的監測與控制設備,可由「智慧能源管理系統」自動調整與調度全島的發電與儲能設備的充放電。

雖然過去七美仰賴柴油發電,但隨著太陽光電的建置與未來風力發電的規劃,部分時段的再生能源發電占比,已可達到 50%以上。因此,智慧電網與儲能系統的搭配,輔以氣象預報、歷史用電等能源消耗資料,可以使儲能系統快速充放電的特性,與再生能源變動的發電特性相配合,最終使綠能併網量最大化。

智慧變流器

再生能源發電不可控的特性,也可能造成再生能源輸出至主電網時的電壓不穩定,從而影響電力品質。陳朝順教授的團隊,是在再生能源設備併入主電網前,設置「智慧變流器」,智慧變流器可以將太陽光電發出直流電轉換為一般使用的交流電,並能在維持發電功率的狀況下,調整再生能源發電的電壓,使併網後的總電壓維持穩定。智慧變流器也可透過遠端控制中心的指令調控,達到運轉監測與即時調度的功能。

目前,七美的太陽光電,已全面安裝國產的智慧變流器。標準檢驗局也公告「CNS 15382 太陽光電系統-電力傳輸網界面之特性要求」,旨在規定未來的太陽光電占比提升時,太陽光電設備都需安裝符合標準的智慧變流器,才得以併入主電網而不影響電力品質。而具有遠端監測控制功能的智慧變流器,更能提供電力公司做更即時與細緻的電力調度。

左:智慧變流器;右:智慧變流器電壓設定自主調控曲線。當智慧變流器偵測到再生能源輸出電壓過高時,可自動調整虛功補償,讓電壓下降並維持功率及併網後的總電壓。圖/陳朝順教授提供

功率也能「虛實」整合!?

智慧變流器能調控電壓的原理,在於能調整「虛功率(a.k.a. 無效功率、電抗功率)」

在直流電的世界中,電的功率來自於電壓與電流的相乘,提供越多的電壓或電流,自然會有更大的作功效率,也就是我們在中學課本時會學到的:

P=I×V

這也是電器、延長線、電源供應器上關於用電功率的註記,以及電力公司在電錶的紀錄上,實際考量到的功率,稱之為實功率。

但是在交流電的世界中,交流電的電壓與電流是一個不斷的交替的波,在波形的上半部(正半週期),是電源傳送至負載(會耗電的元件、電器)的功率,而波形的下半部(負半週期),則是負載傳回電源之功率。

當交流電的電路中只有電阻時,電壓與電流的相位會完全相同,相乘所得到的功率,其相位也與電壓電流相同。然而在真實世界的電力系統中,並不會只有電阻,還會有電容與電感,特別像是民生與工業大量使用的馬達與壓縮機,也都是電感性的負載。而交流電在電容與電感元件中,會呈現剛好相反的特性。

在純電容的交流電路之中,由於電容的電壓需要電流的累積才會出現,因此電壓滯後電流 90 度相位角,反之在純電感的交流電路中,電感的電壓則因為是電流的導數,而反而會超前電流 90 度相位角。

在一個理想的電路之中,理想的電流和電感並沒有真正消耗掉能量,而是分別在不同的時間點充放電。導致發電廠所發出來的電,並不能夠完全地被電器產品中的電阻給消耗掉,而是被電路中的電容與電感做了無謂的充放電,這個無謂的損耗,也就是所謂的虛功率


為了要減少並沒有辦法真的給電器使用的虛功率,在電器與電力系統的設計上,都會刻意地利用電容和電感的搭配,使電壓與電流的相位差減少,讓整體電器相對於電網來說,近似一個純電阻的元件,就能提升用電的效率且維持電網中的波形恆定。

但對於再生能源高佔比的情境時,以太陽能為例,太陽能所發出的直流電,可交經由變流器(a.k.a. 逆變器、反流器)轉化為交流電再併入主電網,一旦發生天候或用電狀況改變而導致系統過載時,會導致整體系統的電壓升高,而危害到系統上的所有電器。

因此,智慧變流器在此的用處,是透過通信網路與能源管理系統連結,當系統電壓提高時,增加電壓與電流的相位差,使太陽能發電系統的虛功率提升,因而降低輸出的電壓,以維持主電網電壓的穩定。

從七美島到台灣島

七美高佔比再生能源的智慧電網,是實踐我國積極提升再生能源裝置容量的能源政策的寶貴經驗,陳朝順教授認為,雖然如德國等國家,正朝向實踐100%再生能源發電的目標邁進,但達成主因仍受惠於歐陸跨國電網所提供的穩定基礎。臺灣再生能源高佔比的獨立電力結構規劃,在全世界仍屬相當罕見,因此,高佔比再生能源的七美經驗,成了我國電力發展的重要試驗。

好啦,其實在臺灣是很幸運的,平均只要花上16分鐘左右的時間等待復電。圖/torange

此外,臺灣的供電品質雖普遍較世界各國為佳,以系統平均停電時間(SAIDI)來看,臺灣全年平均每一戶大約是 16 分鐘,相比起來德國約 40 分鐘,中國大陸約 60 分鐘。但若以一些規模較小的城市型國家來對比,如盧森堡則約 10 分鐘,新加坡更僅有 0.15 分鐘。代表我國的供電品質,仍可藉由基礎電力建設的更新而有進步的空間,特別是對於科技園區、大都會等關鍵地區,若可盡可能減少電力不穩定的時間與頻率,必然能有助於民生品質與產業發展。

又伴隨資通訊技術與物聯網的發展,與通信網路相結合的電力系統,可以幫助使用者與電力業者,更準確地了解各電力設備的品質與調度電力供需。例如目前都會區普遍採用了電力地下化,但當故障發生時,地下化反成為故障定位與狀況了解的阻礙,因而仰賴搶修工程師在故障區域內的逐一檢測修復。

但結合資通訊技術後,工程師可以在電力系統各環節裝設感測器,了解龐大電力系統各零組件的電壓、電流與溫度等參數,以精準迅速察覺故障發生的位置與原因。

電動車的充電預計亦將會是電力供需的一大負荷。圖/wikimedia

又以電動車為例,部分廠牌電動汽車的充電電流設定為 40安培 至 80 安培,但一般家用電錶的最大總電流常為 25 安培以下,足見當電動車逐漸普及時,電動車的充電將又會是電力供需的一大負荷。因此,若能讓電力公司調配電動車的充電時機至用電離峰時段,就能減少用電尖峰的負荷。

總括而論,智慧電網具有提高再生能源併網量、提升供電品質與更細緻資產管理的功能,是未來高佔比再生能源電力結構下必不可缺的關鍵技術。發展智慧電網所需的電力電子與資通訊科技,亦是我國科學發展與科技產業的強項。然而智慧電網因涉及電力基礎建設的大規模更新,龐大經費的支出仍仰賴足夠誘因的商業模式為解。

若能鼓勵科技、工業園區等業者投入資源佈建局部性的智慧電網;並將能源國家型科技計畫和學界長期以來投入的理論轉化為實務運用。智慧電網的普及,將是我國實踐高佔比再生能源電力結構的關鍵基石。

參考資料

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為什麼越累越難睡?當大腦想下班,「腸道」卻還在加班!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/30 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文與  益福生醫 合作,泛科學企劃執行

昨晚,你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎?這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾,甚至在腦海中數了幾百隻羊,大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程,讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇:你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠,我們得先認識身體的一套精密防衛系統:下視丘-垂體-腎上腺軸(HPA axis) 。這套系統原本是演化給我們的禮物,讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時,能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動,腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙),這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性,讓我們在危機中保持清醒 。

然而,現代人的「劍齒虎」不再是野獸,而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

在理想的狀態下,人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後,身體會進入「修復模式」,此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點,讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素(Melatonin)接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號,它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素(Orexin)神經元,幫助大腦順利關閉覺醒開關。

對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態 / 圖片來源:envato

然而,當壓力介入時,這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出,長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化,使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌,更會讓食慾素在深夜裡持續活化,強迫大腦維持在「高覺醒狀態(Hyperarousal)」。 這種令人崩潰的狀態就是,明明你已經累到不行,但大腦卻像停不下來的發電機!

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升,而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸,分泌更多皮質醇來試圖消炎,高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期(REM),導致睡眠品質變得低弱又破碎,最終形成「壓力-發炎-失眠」的惡行循環。也就是說,你不是在跟睡眠上的意志力作對,而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關:PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局,科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系:腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」,而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便,更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話,直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」(Psychobiotics)。

腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」/圖片來源:益福生醫

在眾多研究菌株中,發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發,累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」(First Night Effect, FNE),也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難,俗稱認床。科學家在進行實驗時發現,補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期(NREM)的睡眠長度,且入睡更快,起床後也更容易清醒。更重要的是,不同於常見的藥物助眠手段(如抗組織胺藥物 DIPH)容易造成快速動眼期(REM)剝奪或導致睡眠破碎化,PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力,它能有效縮短入睡所需的時間,並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現,即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理(Heat-treated),轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」(Postbiotics),其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點,讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中,科學家觀察到一個耐人尋味的現象:當詢問受試者的主觀感受時,往往會遇到強大的「安慰劑效應」,無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人,主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相,讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而,客觀的生理數據(Biomarkers)卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後,實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人(84.6%)出現了夜間褪黑激素分泌增加,且壓力荷爾蒙(皮質醇)顯著下降,這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統,而不僅僅是心理安慰。

最值得關注的是,對於那些失眠指數較高(ISI ≧ 8)的族群,這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後,不僅生理標記改善,連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間,以及焦慮感也出現了顯著的進步。

了解更多PS150助眠益生菌:https://lihi3.me/KQ4zi

重新定義深層睡眠:構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息,而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠,關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石,始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境,到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統,並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現,身體便能更順暢地啟動睡眠開關,回歸自然的運作節律。

與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持,每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始,為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通 / 圖片來源 : envato

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肺部為何會「結疤」?揭開比癌症更致命的「菜瓜布肺」,科學家如何找到破解惡性循環的新契機
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/05/08 ・2041字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 肺纖維化(菜瓜布肺)社團衛教 合作,泛科學撰文

在現代醫學的警示清單裡,乳癌、大腸癌這些疾病大家都不陌生;但有一個「隱蔽且致命」的威脅卻常被忽視,那就是「肺纖維化」。其中最常見的類型「特發性肺纖維化」(IPF),其預後往往不太樂觀,確診後的五年存活率甚至比許多常見的癌症還低。

首先,我們得先破解一個迷思:肺纖維化並不是單一疾病,而是許多種間質性肺病的共同表現。當我們聽到「肺纖維化」,腦中常浮現「菜瓜布肺」的形象,患者的肺部外觀充滿一個個空洞與疤痕,像極了乾燥的絲瓜。這精準描繪了肺部組織逐漸硬化、失去彈性的過程。

更重要的是,IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性,一旦形成就很難逆轉。這跟部分 COVID-19 康復者身上、仍有機會復原的肺纖維化,是兩種完全不同的概念。

IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性,一旦形成就很難逆轉 / 圖示來源:shutterstock

肺部為何會變成「菜瓜布」?

為什麼好端端的肺會變成菜瓜布?這其實是一場身體修復機制失控的結果。

「纖維化」的組織,就是肺部間質組織(interstitium)的疤痕化。間質是圍繞在肺泡周圍,包含血管與支持肺部結構的結締組織。在正常情況下,肺部損傷後會啟動修復機制,並再生健康組織。但在肺纖維化的患者體內,這套修復機制卻「當機」了。

身體會不斷地發出訊號,導致負責修復工作的「纖維母細胞」(fibroblasts)被過度活化,進而失控地沉積膠原蛋白疤痕組織,最終在肺部形成永久性的纖維化。

科學家發現,這個過程之所以棘手,在於它是一個「惡性循環」,肺部同時存在著「發炎反應」與「纖維化」這兩條路徑 ,它們相互加乘,演變成難以阻斷的強大破壞力。

雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ,但已知某些特定族群的風險更高。例如抽菸,特定年齡與性別(50歲以上男性)、長期暴露於粉塵環境的工作者(農業、畜牧業、採礦業…)、胃食道逆流者。此外,患有自體免疫疾病(如類風濕性關節炎、乾燥症、硬皮症、皮肌炎/多發性肌炎,)的患者,他們併發肺纖維化的機率遠高於一般人,必須特別警覺。

雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ,但已知某些特定族群的風險更高。/ 圖示來源:shutterstock

打斷惡性循環的挑戰,為何只對抗「纖維化」還不夠?

面對這個不可逆的疾病,醫學界長年束手無策,直到 2014 年才迎來一道曙光。美國 FDA 批准了兩種機制不同的新藥:Nintedanib 和 Pirfenidone。這兩種藥物的出現是治療史上的分水嶺,首度被證實能夠「延緩」IPF 患者肺功能的惡化速度。

然而,這場戰役尚未結束。現有的治療雖然帶來了希望,卻也凸顯了「未被滿足的醫療需求」。從機制上來看,這些藥物主要抑制的是「纖維化路徑」。

這讓科學界開始思考這個未被滿足的棘手問題:既然疾病的本質是「發炎」與「纖維化」的雙重打擊,那麼,我們是否能找到「同時抑制」這兩條路徑的全新策略,從而更有效地打斷這個惡性循環?

找到同時調控「發炎」與「纖維化」的新靶點

為了解決難題,科學家將目光鎖定在一個細胞內的酵素:磷酸二酯酶 4B(PDE4B)

為什麼鎖定它?讓我們看看它的「雙重作用」機制:

  1. 關鍵位置: PDE4B 同時存在於免疫細胞(與發炎有關)與纖維母細胞(與纖維化有關)當中。
  2. 作用機制: PDE4B 的主要工作是降解細胞內一種叫 cAMP(環磷酸腺苷) 的訊號分子。cAMP 可以被視為細胞內的「穩定信號」。
  3. 雙重抑制: 當我們使用藥物抑制了 PDE4B 的活性,細胞內的 cAMP 就不會被分解,濃度會隨之升高。高濃度的 cAMP 能穩定免疫細胞和纖維母細胞,同時產生抗發炎抗纖維化的雙重效應。

簡單來說,鎖定並抑制 PDE4B,就像是同時抑制了免疫風暴與纖維化的工程,有望從雙從抑制打擊這個惡性循環。

全球臨床試驗帶來的新希望

近十年來,全球在肺纖維化領域投入了大量的臨床試驗,我們相信,在科學家逐步破解肺纖維化惡性循環的複雜難題後,期盼未來能為無數患者爭取到更安全、健康的生活與未來。

最後,我們必須再次提醒,特發性肺纖維化(IPF)與漸進性肺纖維化(PPF)是極具破壞性、且不可逆的疾病。面對這個比癌症更致命的對手,雖然現有的治療手段能延緩惡化,但無法逆轉已經形成的肺部疤痕組織,因此「早期診斷、早期治療」仍是對抗肺纖維化最重要的黃金時刻。

必須再次提醒,特發性肺纖維化(IPF)與漸進性肺纖維化(PPF)是極具破壞性、且不可逆的疾病。/ 圖示來源:


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「護國神山」越高 電力壓力越大:臺灣海洋能是解方?
PanSci_96
・2024/11/07 ・3553字 ・閱讀時間約 7 分鐘

半導體廠和資料中心的耗電量巨大,隨著護國神山的持續壯大,台灣的電力供應是否還能承受這種壓力?

或許,大海能夠給予我們答案。

在我們的周遭,有一個龐大且源源不絕的能源,但卻長期被我們所忽視——大海。太平洋上的鄰居夏威夷,已經部署了一座 1.25 百萬瓦特(1.25MW)的波浪能發電示範裝置,並即將併入夏威夷的電網。雖然這個發電量看似不大,但一台裝置只需要 38 公尺長、18 公尺寬的空間。想要放置更多的裝置,需要更大的空間嗎?大海有的是空間。

看來從海洋中擷取能源,或許就是台灣能源的終極解答。但為什麼還沒有人大力投入這個領域呢?

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從海洋擷取能源

事實上,從海洋中獲取能量的想法並不新鮮。利用海洋的物理或化學特性所開發的能源,稱為海洋能。海洋能可以大致分為多種不同的形式,每種原理各有不同。

首先是波浪能。夏威夷建設的波浪能示範電廠,就是利用波浪的上下運動所產生的位能變化,或者是利用波浪中海水運動所帶有的動能,來產生電力。值得一提的是,無風不起浪。波浪的產生及其動能的來源,來自於風吹過海面時所產生的摩擦力。而風的出現,可能來自地球自轉,或者是太陽加熱地表和空氣所產生的氣壓差,空氣從高壓區流向低壓區,進而產生風。因此,波浪能的源頭其實是地球和源源不絕的太陽能,被視為永續能源。

其次是潮汐能。月球的引力是潮汐漲退的主要原因。潮汐造成海洋水位的變化,產生位能;同時,漲潮和落潮的水流也帶有動能,這兩種能量都可以用來發電。

另一種是海流能。這是利用海洋中洋流流動的能量。例如,台灣附近的黑潮,水流方向不論冬夏,都是由南向北,而且流速相當快,約每秒 1 至 2 公尺。只要在海流中放置水輪機,就能驅動發電機發電。

接下來是較為特殊的兩種方式。溫差能(OTEC,Ocean Thermal Energy Conversion)利用海水表面和深海之間的溫度差來發電。我們知道,海水表面因為受到太陽照射,溫度較高;越往深海,溫度越低,一般溫差可達 14 至 25 攝氏度。我們可以利用這個溫差來發電,原理類似地熱發電。OTEC 系統除了發電外,還可以結合海水淡化、海洋養殖和空調冷卻系統等多種用途,可謂一舉多得。

最後是鹽差能。這是利用鹹水和淡水之間的鹽度差異所產生的化學電位差來發電。發電廠通常建設在河水和海水的交界處,將海水和淡水當作一個巨大的化學電池的兩極。

台灣適合發展海洋能嗎?

海洋每年蘊藏的能源遠超全球發電需求,潛力無窮。 圖/envato

地球表面約有 70% 是海洋,蘊藏著無窮的潛力。國際能源總署(IEA)在 2007 年發布的報告預估,海洋每年蘊藏了 21,100 到 93,100 太瓦小時的發電量。作為對比,根據統計公司 Statista 的資料,2022 年全球總發電量為 29,165 太瓦小時。也就是說,海洋蘊藏的能源,足以供給全球所需,甚至可能多出數倍。

海洋能除了蘊藏量龐大之外,發電不需要佔用陸地,又屬於不會造成環境污染的可再生能源,具備多重優勢。既然如此,為什麼我們不大力發展海洋能呢?畢竟台灣四面環海,感覺應該非常有利於開發海洋能。但事實上,不是每一種發電方式都適合台灣。

根據工研院於 2018 年整理的資料,台灣的地理環境較有潛力發展的是波浪能、溫差能和海流能。在詳細介紹這些能夠發多少電之前,我們先有個概念作為對照。2023 年,台電系統(不包括民營電廠)發電總裝置容量約為 55 吉瓦(GW),而目前封存的核四,兩部機組的總裝置容量為2.7 GW。

首先,波浪能發電適合的區域包括東北角外海、富貴角一帶,以及澎湖和雲林、彰化外海,發電功率有望達到 2.4 GW。溫差能發電適合的範圍則在花蓮、台東外海,具有 2.8 GW 的發電潛力。至於海流能發電,適合的地區在富貴角、澎湖水道(台澎海峽),以及東部外海的黑潮,共有 4.2 GW 的發電潛力。此外,在金門和馬祖,也有一些潮汐能發電的潛力。

總計而言,台灣的海洋能蘊藏量至少有 9.4 GW 的潛力,相當於七部核能機組的發電量。這樣的發電潛力也意味著巨大的經濟價值,估計海洋能市場的產值可達數兆台幣。

發展海洋能的困難之處

既然海洋能蘊藏量龐大,為什麼我們至今未見台灣有大規模的海洋能開發計畫呢?

首先,海洋能的技術發展仍存在許多挑戰。在各種海洋能中,潮汐發電目前最接近成熟的商業化階段,且已有正在運作的商業發電廠。例如,全球有十多座潮汐發電廠在運作中,其中韓國的始華湖潮汐發電廠是全球最大的,發電容量達 254 MW。此外,還有一些潮汐發電廠處於規劃或建造階段。

然而,潮汐發電的效益取決於潮差(滿潮和乾潮之間的水位差)的大小。一般而言,需要潮差達到 5 公尺以上才有經濟效益。台灣除了金門、馬祖等外島之外,潮差均不足5公尺,因此潮汐發電的潛力較低,並非首選。

至於台灣適合發展的波浪能、溫差能和海流能,目前全球的發展進度都較為遲緩。以波浪能發電為例,雖然蘇格蘭曾有過小規模的商業化案例,但已經退役。不過,最近也有新的波浪能計畫正在進行,包括本文開頭提到的夏威夷案場,這是愛爾蘭公司 OceanEnergy 在夏威夷設置的波浪能轉換器 OE-35,裝置容量為 1.25 MW。另外,瑞典公司 CorPower Ocean 在葡萄牙設置了 C4,裝置容量為 600 kW。雖然規模不大,但已達到商業化的程度,有望在不久的將來成為新的商業化發電方式。

至於溫差能、海流能和鹽差能,都還處於技術發展或小規模實驗測試階段,距離成功商業化發電還有一段路要走。

那麼,海洋能發展緩慢的原因是什麼呢?技術層面是一大挑戰。首先,海水對電器設備具有腐蝕性。同時,海上的強風大浪可能造成設備損壞。海洋生物也會附著在設備上,影響其運作效能。因此,打造耐用且抗生物附著的海洋能發電設備,本身就是一個巨大挑戰。

海洋能發展緩慢因設備易腐蝕、受強風大浪及生物附著影響。圖/envato

此外,即使我們能夠製造出能夠承受各種海洋環境的發電裝置,是否能長期高效地發電也是一個問題。如果無法建立耐用且具有一定規模的海洋能發電設施,成本將無法下降,進而阻礙海洋能的開發。

台灣在海洋能開發的進展

波浪能方面,工研院開發了「懸浮點吸收式波浪發電」系統,包含具有運動模組和浮筒模組的上浮體,以及具有穩定作用的下浮體。當波浪經過時,上、下浮體會產生相對運動,能量擷取系統藉此吸收波浪的能量。

國家海洋研究院則與台灣海洋大學合作,進行「振盪水柱式波浪發電系統」的研究。該系統利用波浪的上下擺動,擠壓空氣艙內的空氣,將空氣擠出至口徑較小的排氣口,造成空氣流速加快,進而驅動排氣孔中的扇葉發電。成大也有實驗室透過數值分析軟體,進行發電裝置最佳化設計的研究。

海流能方面,國家海洋研究院、台灣大學、中山大學和台灣海洋大學均參與了「浮游式洋流發電機組」的研發。發電機艙採流線型設計,類似一台風箏。機艙後方的葉片在受到洋流衝擊後轉動,驅動發電機產生電力。目前,20 kW 級的發電機組「錨碇」已在90公尺深的海中初步測試成功。中研院也正在研發 100 kW 等級的渦輪機,預計今年在台東外海下水測試。

在進度較慢的溫差能發電方面,台泥預計在和平火力發電廠打造台灣第一個溫差能發電系統。

未來展望與政策目標

不知不覺中,台灣在海洋能的開發上已經投入了不少資源,雖然還需接受海洋環境的考驗,但前景可期。根據目前的政策目標,台灣將從技術較為成熟的海洋能開始,分階段推進。目標是在 2030 年完成 10 萬瓦特到 100 萬瓦特等級的示範發電機組,並於 2035 年設置 100 萬瓦特到 1000 萬瓦特的商業發電機組。根據屆時的技術發展狀況,期望在 2050 年達成裝置容量 1.3 至 7.5 GW 的目標。

在政策執行方面,海洋能開發涉及多個部會的管轄,如環境部、農業部漁業署、內政部國土管理署等。為簡化申請流程並促進開發,設立單一窗口相當重要。值得一提的是,根據最近的消息,台灣已有民間公司提交了 100 kW 的波浪能示範電廠申請,預計最快在 2025 年完成台灣首個海洋能示範場。

台灣作為四面環海的島國,有機會在這個領域取得突破,為未來的能源供應找到新的解決方案。

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