撰文 |  應用科學系  助理教授  陳孟炬老師

綠色能源之溫差發電

陳孟炬、林政佑、周俊宇、林政緯

關鍵詞：有機朗肯循環、再生能源、海洋溫差發電、深層海水

海洋溫差發電（Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC）的研究，始於1881年法國d'Arsonval所構思，1930年Claude承接其研究並於古巴海岸嘗試以開放式循環(Open Cycle)系統發電。近代的發展，如1979年美國在夏威夷(Hawaii )海域的50KW發電的海上實驗及1982年8月日本在德之島( DokunoShima )的50KW廢熱發電實驗。在這些實驗例證中，可以得知只要能夠獲取海洋溫度分層足夠20℃以上的溫度差，便可有效地轉換為電能。

溫差發電的工作原理和目前常見的火力發電廠非常相似，採取有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle, ORC）發電技術，如圖1，系以熱源將工作流體加熱加壓成高溫高壓的蒸汽，使其熱膨脹並推動在渦輪機內的渦輪葉片，進而帶動發電機而產生電力；膨脹後的工作流體被引導至冷凝器中冷卻成液體，再經泵浦加壓打回熱源持續作熱交換，形成一個封閉式的循環(Close Cycle)。

圖1、有機朗肯循環驅動溫差發電原理 (圖片來源：http://www.turbineairsystems.com/)

國內的溫差發電研究也在1970年代石油危機的背景起步發展。從1980年代起台電公司與經濟部能源局已陸續完成多項研究計畫。屬再生能源發展之一的海洋溫差發電，係利用表層海水與深層海水間的溫差，將儲存於表層海水中的太陽熱能轉換成電能的一種技術。以臺灣東部海域為例，在北回歸線附近、表層水溫約在23℃～28℃之間，至1000公尺深度水溫即降到4℃左右。表面混合層與深層海水之問的溫差愈大，則發電的效率將愈高。因此，在赤道至南北緯30度之間的海洋，比較具有適合海洋溫差發電發展的條件。

一般而言，推估熱源與冷源之溫差高達攝氏百度時，其熱力效率可到達30%～40％；而海洋溫差僅有20℃~25℃，因此其效率僅約3%，以高溫的溫泉水代替表層海水，藉以增加溫差熱力效率，提高發電商轉價值的可行性；利用異種資源整合溫差發電系統，如圖2所示為整合異種資源驅動有機朗肯循環流程示意圖。

圖2、高溫溫泉水及深層海水之封閉式溫差發電系統

由於臺灣四面環海以至於過去認為能源只能仰賴進口，事實上蘊藏豐富的再生能源。諸如海洋溫差、波浪、海流、潮汐等海洋資源；又因臺灣位於環太平洋地震帶上，溫泉和噴氣孔遍佈全島，地熱蘊藏量豐沛無比，深具發展地熱的良好先天條件。特別是臺灣東部海域海底地形陡峻，離岸不遠處，水深即深達七百公尺，水溫約6°C，同時海岸山脈地熱井口溫度高達80℃。地形及水溫條件俱佳，開發溫差發電的潛力雄厚。

2011年底「深層海水低溫利用及多目標技術研發模廠」落成於臺東知本地區，位於太平洋海岸同時緊鄰地熱溫泉區溪口，如圖3為深層海水產業發展園區與周邊開發。深層海水多用途綜合開發於國內日受重視，在許多研究計畫報告中，均列為最值得開發的區域，若僅以海洋溫差發電(OTEC)，佈管5公里可抽取700公尺深約6℃之深層海水，則因其溫差差距不大而評估僅有3%的發電效率；若以高溫溫泉水替代表面海水，與深層海水即有約80℃之溫差，其溫差高於海洋發電的14倍，其發電效率COP則可大幅提高。

圖3、臺東縣深層海水產業發展園區與周邊開發計畫關係示意圖(臺東縣政府)

經濟因素是世界各國從事再生能源開發時的最主要考量之一，以往國內外的研究均顯示，與傳統能源相比，一般海洋溫差發電成本偏高，未具經濟競爭力。不過利用深層海洋水與溫泉水溫差發電所產生的溫差效率預估可高達20~30%，就不可同日而語。臺東大學基於地域與東部地區再生能源發展，舉足輕重之重要性不可言喻，學校將於初期投入海洋與溫泉之溫差發電系統建置之相關研究工作，建立東部地區深層海水研究與發展之角色與能量。 

延伸閱讀：國立臺東大學應用科學系