海洋科技季刊
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『海洋產業技術-黑潮洋流發電』專輯
目  錄 封面
「海洋產業技術—黑潮洋流發電」專輯序言
浮游式黑潮發電渦輪機系統概念設計及佈放模擬
黑潮洋流發電渦輪水密軸機封膜組開發
探討黑潮發電機的設計與測試結果分析
環保防污塗層開發及電化學法監控菌類附著和菌膜形成行為之研究
浮游式黑潮發電渦輪機系統動態模擬
黑潮渦輪機葉片幾何設計方法之建立
浮游式黑潮發電渦輪機模型水槽試驗系統建置與測試
黑潮洋流發電經濟分析
淺談機器人在水下考古之應用
海洋及水下科技季刊一0六年度第二十七卷第一期封面


「海洋產業技術-黑潮洋流發電」 專輯序言
(第二十七卷第一期-序言)
摘要

 臺灣周圍海洋存有巨大能量的黑潮洋流,是屬於我國的天賦地理優勢。國際上現有的海洋再生能源科技,多為針對風能、潮汐及波浪能所設計,與風能或波浪能相比,洋流能是十分穩定的能量源,洋流速度與潮汐流相比較緩慢,而黑潮所經的海域之水深遠較波浪潮汐所在海域為深。開發黑潮能量需要發展適合臺灣海域水深及流速的發電系統,這些技術將是我國海洋再生能源產業國際競爭力的指標。

 為了開發黑潮洋流的能量,及探究其發電成本的經濟效益,國家型能源計畫第一期的調查研究已對黑潮洋流資源潛力有所評估。在此基礎上,第二期由臺大-海大-臺經院和臺船公司產學合作團隊(計畫名稱:科技部第二期離岸風力及海洋能源主軸專題研究計畫「浮游式黑潮發電先導機組設計開發關鍵技術之研究」)進一步針對發電渦輪機系統關鍵技術開發進行技術概念探討、關鍵功能及元件整合驗證。本專輯邀請團隊成員撰寫主題文章,將最新研發成果匯集成冊。內容包含:浮游式黑潮發電渦輪機系統概念設計及佈放模擬、水密軸封設計、系統動態模擬、葉片幾何設計、模型水槽試驗、防污塗層及菌類附著監控等技術進展,以及黑潮洋流發電的經濟分析,是海洋能源研究領域的嶄新觀點,而內容深入皆為精心之作,值得讀者細心研讀。 本期文章所介紹之浮游式黑潮發電渦輪機的後續展望,若能持續順利推動,預期將於2020年完成20kW先導示範機組的研製和實海域測試,並於2021年著手0.5 MW商轉原型機組的設計和研製,2025年則可望邁入以發電目標為6 MW規模的商業化階段,在此祝福研發團隊順利成功,期待擁有黑潮資源的臺灣早日實現黑潮能源開發利用,並帶動產業發展的願景。

 我國第一部水下文化資產保存專法《水下文化資產保存法》已於2015年12月公告。本期也收錄一篇利用水下機器人技術進行水下文化資產保護的文章,提供讀者參考水下文物保存與推廣教育的新發展。

 

專輯主編:郭振華/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系教授

     邱逢琛/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系教授

     陳建宏/國立臺灣海洋大學系統工程暨造船學系教授   

 

浮游式黑潮發電渦輪機系統概念設計及佈放模擬
(第二十七卷第一期-海洋產業技術-黑潮洋流發電)
摘要

 由於黑潮洋流(Kuroshio Current)多流經大水深海域,較難應用著底式渦輪機組來擷取能量,因此浮游式渦輪機組會是一種較具可行性的黑潮發電機組,本文介紹由台大-海大-台經院和台船公司產學合作團隊在國家型能源計畫第二期(NEP II)支助下進行關鍵技術開發的一種浮游式黑潮發電渦輪機(Floating Kuroshio Turbine; FKT)系統的概念設計,並以模擬軟體進行機組佈放、運轉及回收的運作模式驗證。

作者:邱逢琛/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系 教授

   林育�隉�國家中山科學研究院系統發展中心 助理研究員

黑潮洋流發電渦輪機水密軸封模組開發
(第二十七卷第一期-海洋產業技術-黑潮洋流發電)
摘要

 黑潮洋流發電渦輪機組須長期置於海水中進行全時旋轉發電,每年僅少數時間可上浮水面執行系統維護與檢修工作,因此發電渦輪機軸封的長期運作可靠性便成為系統設計時最重要的考量要點之一。有別於傳統工業用軸封,本文參考無人水下載具ROV油壓補償器的設計概念,針對浮游式黑潮發電機作業水深範圍採用傳統式軸封,並設計一組被動式油壓補償器進行壓力補償以達成水密的效果。被動式油壓補償器可確保軸封兩側水壓與油壓達成平衡狀態,同時補償器內部的預壓彈簧可維持內部油壓略高於外界水壓,以避免海水侵入發電渦輪機艙內部零組件,此被動式油壓補償軸封具備高可靠性、免維護且可應用於各種水深範圍的特性,對浮游式黑潮發電機組的使用壽命有極大的助益。本文將介紹軸封類型與被動式油壓補償軸封模組之設計概念,並以等比例試驗模型並完成壓力測試,驗證被動式軸封模組應用於浮游式黑潮發電機之可靠性。

 

作者:郭振華/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系教授

   黃盛煒/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系博士生

探討黑潮發電機的設計與測試結果分析

(第二十七卷第一期-海洋產業技術-黑潮洋流發電)
摘要
  本文將針對 1/5 縮尺,20kW 級 Floating Kuroshio Turbine (FKT) 先導示範機組系統所需之 10kW永磁同步發電機及其輸電系統,進行模擬與分析,並運用基於有限元素法配合之ANSYS Maxwell軟體來實現低轉速之外轉子設計。此實驗架構結合了最大功率點追蹤、向量控制和空間向量調變技術,配合MATLAB/Simulink模擬黑潮發電系統之設計需求,同時建構MATLAB 圖形介面(GUI) 能將黑潮發電系統之模擬結果顯示在人機介面上。另外將置 1/25 縮尺800W水槽試驗模型性能展示所需之兩顆400W 發電機進行分析與測試,將其轉矩資料給與其他團隊進行整合,計算黑潮流速與葉片扭力關係,最後合併成浮游式黑潮發電渦輪機。(註:本文為本主題之完整內容;部份內容有關於10kW永磁同步發電機及其輸電系統之設計模擬,曾發表於台灣風能協會會員大會暨學術研討會, 2016/12/1, Keelung, Taiwan)

 

作者:阮宜雯/國立台灣大學工程科學及海洋工程學系 研究生

   邱逢琛/國立台灣大學工程科學及海洋工程學系 教授

   李坤彥/國立台灣大學工程科學及海洋工程學系 副教授

   李佳翰/國立台灣大學工程科學及海洋工程學系 教授

 

環保防汙塗層開發及電化學法監控菌類附著和菌膜形成行為之研究
(第二十七卷第一期-海洋產業技術-黑潮洋流發電)
摘要

 抑制海洋微生物附著在海洋結構物(例:船殼、離岸風機等)上主要分為兩大方向:物理及化學方法。物理方法藉由將底材、塗層改質使其表面能減小讓微生物難以附著,或藉由海水流動時產生之剪應力將塗料層層剝落並帶走附著在上的微生物;化學方法則是在塗層內添加殺生劑(氧化銅等金屬化合物),藉由塗層裂解將有毒物質釋放殺死海洋微生物。物理方法較為化學方法環保,但對於靜止的海洋結構物效果較有限,在應用上,需評估成本、需求等選擇更為合適的方法。

傳統防生物腐蝕塗料主要使用氧化銅作為殺生劑,其對海生物有劇毒性,且屬於海洋染物,故許多團隊致力於找出對於海洋危害較小之殺生劑。本實驗尋其他種對於環境危害較低的化學藥品取代氧化銅含量,使其含量降低並達到毒性減低的目標,此外藉由電化學檢測方式評估海洋微生物附著情形為本研究的另一實驗目標,希望能夠建立起評估防生物腐蝕塗層效果的系統。

 

 

作者:張介宇/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系

   謝子晴/國立臺灣大學農業化學系

   羅凱尹/國立臺灣大學農業化學系

   李岳聯/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系

浮游式黑潮發電渦輪機系統動態模擬
(第二十七卷第一期-海洋產業技術-黑潮洋流發電)
摘要

 洋流發電是繼潮流發電之後的海洋能源發電重要研發,可說是從近岸走向離岸、從淺水域走向深海域。洋流發電的挑戰之一是深水域的機組部署,由於洋流屬於海洋表層的流動,因此無法固定於海底,而需漂浮於離自由表面較近的區域,因此錨繫系統是一個重要的系統組件。因此之故,錨鍊與渦輪機系統的在洋流中的動態現象,乃是一個非常重要的議題。本論文針對此一議題,探討浮游式黑潮發電渦輪機系統的特殊動態現象,包括在波浪週期接近系統自然振動週期時,系統的共振現象,錨鍊的粗細直徑對系統動態現象的影響,以及不同錨鍊系統設計所造成的系統動態特性。相關的模擬研究係整合多套軟體的運算而得,包括商用軟體Fluent、WAMIT、OrcaFlex、以及自行開發的邊界元素法軟體。

 

作者:吳若禔/國立臺灣海洋大學系統工程暨造船學系碩士班研究生

   陳建宏/國立臺灣海洋大學系統工程暨造船學系教授

   辛敬業/國立臺灣海洋大學系統工程暨造船學系副教授

   邱逢琛/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系教授

 

黑潮渦輪機葉片幾何設計方法之建立
(第二十七卷第一期-海洋產業技術-黑潮洋流發電)
摘要

 針對浮游式黑潮渦輪機的開發,本文探討20kW對轉渦輪機葉片的設計,我們提出渦輪機葉片的兩種設計方法。第一種方法與螺槳葉片設計法類似,我們先用升力線法設計負荷分布,再用升力面法設計葉片幾何;第二種方法則採用基因演算法結合勢流邊界元素法進行葉片幾何的設計。建立的設計程序為先用第一種方法完成一初步的設計,再應用第二種方法改進初步設計,並可設計例如弦長等的其他幾何參數。待葉片設計完成之後,我們運用勢流邊界元素法與RANS法分析洋流渦輪機的水動力學特性,進行設計的確認,以及完成性能曲線圖的製作。文中並進行了不同葉片的幾何設計,確立三葉為最終之設計。整體成果顯示本文結合兩種設計方法所得到的葉片設計成功達到設計目標,而設計結果並經過實驗的驗證,我們相信發展之葉片設計程序可應用於洋流渦輪機葉片的設計。

 

 

作者:辛敬業/國立台灣海洋大學系統工程暨造船學系 副教授

   王世雲/前國立台灣海洋大學系統工程暨造船學系 研究生

   羅鈺琇/前國立台灣海洋大學系統工程暨造船學系 研究生

↑回目錄

 

浮游式黑潮發電渦輪機模型水槽試驗系統建置與測試
(第二十七卷第一期-海洋產業技術-黑潮洋流發電)
摘要

  本研究建立一浮游式黑潮發電渦輪機實驗系統包含實驗模型及量測系統,黑潮發電機的開發在模型實驗上首要的工作是驗證及預測所開發黑潮發電機的性能,其次的工作是在實驗室模擬黑潮發電機的操作模式,並量測其運動模式及拖曳纜繩的受力,以提供實海域佈放回收所需的數據及操作參考,最後是將黑潮渦輪機模型及發電機結合,在水槽中模擬黑潮發電渦輪機之發電狀況。本研究分別量測單獨葉輪及整組發電機之流體動力性能,單獨葉輪之量測系統中設置扭矩模擬機、轉速計、推力計及扭力計,整組發電機之阻力由一獨立測力計量測。在拖曳水槽中分別測試1.0m/s、1.2m/s及1.5m/s之流速下的流體動力性能,並將實驗結果與雷諾時均法(RANS)計算結果做比較,實驗結果顯示在三個流速下,葉片轉子之馬力係數曲線(Power Coefficient Curve)及扭矩係數曲線(Torque Coefficient Curve)的實驗結果與計算值吻合,而推力係數曲線(Thrust Coefficient Curve)之實驗結果高於計算值許多,由相關風力發電機的文獻推測為流體通過轉子葉片後之速度有明顯的下降,導致推力係數之實驗結果高於計算值。(註:本文為本主題之完整內容;部分內容曾發表於7th PAAMES and AMEC2016 13-14 Oct., 2016, Hong Kong)

 

 

作者:蔡進發/國立台灣大學工程科學及海洋工程學系教授

   曾怡瑄/國立台灣大學工程科學及海洋工程學系碩士研究生

↑回目錄

 

黑潮洋流發電經濟分析
(第二十七卷第一期-海洋產業技術-黑潮洋流發電)
摘要

  台灣四面環海,以能源蘊藏量、衍生性經濟效益、潔淨永續、能源穩定性以及成本競爭性對海洋能源進行初步評估,則波浪、溫差與洋流能最具有發展性。其中,洋流的流向固定,發電潛能大,在許多國家開始受到關注。台灣東部海域的黑潮即為全球海洋環流系統的一環,若能成功開發洋流發電技術,則發電效益較太陽能、風力等間歇性能源佳的黑潮發電將有望成為我國基載電力,提升能源自給率及安全性。然而台灣開發黑潮發電前期需投入龐大資金,需要考慮經濟效益以及市場競爭力,故本研究將分析台灣發展黑潮發電之均化成本以及各成本區塊之比例,以探討成本下降之可能性。

 

作者:劉兆歡/台灣經濟研究院研究一所 助理研究員

   陳彥豪/台灣經濟研究院研究一所 副所長

   白俊彥/萬機鋼鉄工業股份有限公司 董事長

↑回目錄

 

淺談機器人在水下考古之應用
(第二十七卷第一期-海洋產業技術-產業報導)
摘要

  隨者科技的進步,水下考古的調查範圍越來越廣,過去考古人員無法接近的海域,也不斷發現有考古價值的水下遺址,不過受限於深度增加所產生的水壓或潮汐變化的強勁海流,有專業潛水能力的考古學家有時也很難親臨現場作業,或者現行海洋調查設備也有其無法克服之難題,必須借重水下機器人才能完成相關調查與發掘。本文介紹法國、歐盟及韓國之海洋科技研究機構如何開發仿生機器人協助水下考古的調查與發掘工作。

關鍵詞:仿生機器人(Bionic Robot)、水下考古(Underwater Archaeology)

 

作者:邱瑞焜/國立海洋科技博物館 聘用助理研究員

 

 

↑回目錄

 

 

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