摘要:
一、研究緣起
於 109 年度國家海洋研究院業已初步完成「臺灣洋流能海域測試場規劃評估委託專業服務案」之幾處東部測試海域調查及蒐集相關海洋能當前營運規劃。然洋流能開發進入實海域測試所需面臨的問題仍眾多尚未解決，如測試場域所需測試設施、測試場域申請流程、測試結果認證等。為逐步解決相關問題，將藉由本計畫先行規劃出該測試場域所需詳細設施及纜繩並提出所需經費、規劃測試場測試所需相關文件和營運策略。除此，持續藉由實際觀測資料分析，了解測試場海域基礎資料，進而加速國內開發洋流能產業之動能，並推動國內產業界投入洋流能轉換系統的開發，領先掌握洋流能開發之關鍵技術，競逐未來全球洋流能開發之市場。
二、研究方法及過程
本計畫主要從兩方向進行研究，一是針對臺測試場海域海洋水文進行長期調查分析，提供測試場環境基本資料。另一是針對洋流能測試場進行測試場域關鍵設施 規劃，以完成適合台灣環境之洋流能測試場域。
三、研究成果說明
(一) 背景資料分析
本計畫對於黑潮流經臺灣附近海域的研究所收集的文獻包括跨越呂宋海峽與南海以及台灣海峽的變動、西北太平洋向西傳的中尺度渦旋的影響、颱風對黑潮的影響、綠島蘭嶼島嶼尾流的研究、風場的影響等等。以實測、數值模式、衛星資料來探討黑潮的變動，大部分實測資料連續時間較短，主要用於事件、小範圍現象的探討以及數值模式的驗證，長時間的行為或是大範圍的探究則比較倚賴數值模式或是衛星資料。整體來說，黑潮在台灣附近的流場變化主要有季節性變動與受到中尺度渦旋的影響。季節性變動的行為包括秋冬時主軸貼近台灣東岸，並且有部分穿越呂宋海峽進入南海與台灣海峽，春夏則主軸向東移，南海水於台灣南端東流穿越呂宋海峽，併入黑潮左側北流；中尺度渦旋的影響則是非季節性且常態性發生的現象，導致黑潮流軸有較大的位移以及傳輸量的改變，影響的時間尺度大致上約 1~3 個月。黑潮流經綠島與蘭嶼則有的尾流的現象，且有渦街的形成，流場短週期(幾天以內)變動較為劇烈。整體而言，黑潮於臺灣東南部海域，除了島嶼尾流區外，其的行為相對較為穩定，> 0.5 m/s 的流速主要分布於 300 m 以淺，潮汐現象不明顯，潮流的速率 < 0.1 m/s，中尺度渦旋所造成的流速變化的振幅可達 0.2 m/s，但變化緩慢。本區域的各項觀測皆缺乏空間涵蓋度以及長時間之時序資料，因此所能 著墨之現象受限於資料型態。
(二) 測試海域海洋水文長期調查分析
ADCP 的觀測時間為 2020/11/19~2021/4/8，共 140 天，品管後觀測深度為 30 公尺~200 公尺，流向以北北東為主要方向，速率的時間平均與標準差從位於 30 公尺的 70 cm/s 與 32.4 cm/s 往深逐漸遞減至 200 公尺的 36.5 cm/s 與 17.6 cm/s。結果顯示冬季黑潮流速較小且流速與方向較不穩定，受到中尺度渦漩影響劇烈， 2020/12/19 前後各約十天綠島附近海域受到中尺度低壓渦漩影響，呈現微弱的北流甚至出現往南的反流。流場的頻譜除全日與半日的能量外，尚有 8 小時與 6 小時的震盪能量，觀測期間儀器的深度振盪明顯，振幅大小變化與大小潮的時間相符，但最大震盪深度達 80 公尺，顯示南海內波系統亦可能影響黑潮流場。
(三) 臺灣洋流能測試場域平台設施規劃
目前找到合適的洋流能測試場有三處，其海床地質分兩類：(1) 約 50m 海床表層沉積物(較接近黏土) 地形坡度較小，(2) 表層 10 公尺以內厚度，粗砂土質並具有約 5/100 斜度。因兩種海床地質不同，考慮足錨碇力、安全及成本條件，深海錨碇基作設計型式也不同，如選第一種場址將採用魚雷樁為深海錨碇基座，如選第二種場址將採用多浮體樁錨-重力錨複合之深海錨碇基座，可有效減少深海繫泊基座淨重量降低成本。因應不同洋流發電機，提供合適的掛載於載台方式，並提供穩定測試系統，為提供國內外洋流發電機組測試性能，洋流發電測試平台須具備多項參數量測功能，作為測試標準及提供驗證之洋流發電機功率性能的證明之用，相關量測儀器的安裝及防護須和錨碇系統整合設計。除提供功率性能驗證外，長期測量場址的流場特性及深海錨碇系統特性的長期監測，可提供洋流發電機及錨碇平台維護及設計改善參考，有利於未來商轉之深海錨碇系統的建置。
雖然台灣東部黑潮能源充沛，但每年皆有颱風來襲，讓機組下潛至安全深度， 達到避免颱風風浪的破壞效果。經分析及模型實驗證明，採用『浮筒及載台進排水及拖曳傘複合式設計』，載台可上浮下潛至安全深度，並經穩定分析，得到 400KW 深海繫泊基座及多功能浮式載台整體架構設計。此外，針對漂浮式洋流發電機掛載發電系統在波流作用下的動態穩定及繩索張力分析，發現緩衝彈簧串聯繩索可有效降低繩索張力。
多元在生能源和電網系統有協調問題，當在生能源的電力饋入電網時，局部電網電壓可能不穩，因此需要儲能系統使電力輸出平滑化，達到綠能發電，本計畫經評估 400KW 洋流能測試場儲能系統較適合採用液流電池來儲放電。
(四) 臺灣洋流能測試場域擬定測試流程
灣洋流能發展目前技術精進與原型機實海域測試階段。基於因應未來建構產業發展之需求，配合主管機關進行國際級洋流能測試場相關規劃，未來可作為亞洲重要海洋能測試基地。110 年度工作主要有測試流程規劃、發電機組測試與驗證規劃，以及測試場營運模式規劃。透過歸納國際發展經驗以及專家諮詢資訊，本計畫彙整國際海洋能測試流程、主要公告內容、初步的測試流程及可服務項目，國際針對海洋能源廠商與技術的具體測試流程仍須以廠商需求，以及測試場與廠商相互溝通所構成，採取「個案處理服務」的方式處理之。
值得注意的是，不僅測試流程需獲得認證方具有公信力，測試場本身設備與周邊服務，包含場域、服務及營運團隊都需獲取相應認證，才能被國際認可為合格海洋能源測試場。同時，測試場的營運也需搭配完善的測試誘因與配套，才可吸引國際廠商前來台灣進行測試。測試場的營運核心最終是以提供具公信力的測試報告，減少廠商在不同國家之間的測試認證成本，但目前我國的發展利基相對較為薄弱，建議可透過積極參與國際計畫，一方面協助主管機關掌握國際海洋能標準與測試流程的發展概況，也以台灣獨有的氣候及海域複雜環境爭取國際廠商前來進行測試認證工作。
若以不同的認證層次而言，在發電機組的測試與認證方面，目前國際上較成熟的為潮汐能及離岸風電，DNV・GL 公司已經根據相關國際標準，制定發電機組的認證流程與文件規範；國內認證則主要參考「台灣電力公司驗證共通性發電機組」文件作為電力併網規範基準。研究發現在發電機組的測試與驗證上，國內外都重視機組設計是否可提供穩定輸出與安全應用的電力，對於採用直流電或交流電規格，或是發電系統的輸出規格等內容，則普遍被認為應由開發商應提供相關測試文件與報告，作為電力併網驗證與查核的基礎資訊。
在相關國際標準訂定上，由於發展環境的差異，目前僅有台灣及日本發展洋流能技術，其他國家主要以潮汐能、波浪能或海洋溫差發電等海洋能技術為主。以國際經驗而言，產業或技術標準的制定並非短期可完成並獲得國際認可，以 EMEC 為例，在其發展歷程中，不僅積極完善測試場域的規劃與建置，同時也非常踴躍參與國際電工委員會的標準推動會議/計畫，藉此作為推動海洋能適用標準的有利基礎。因此，未來我國在洋流能發電機組的產業認證標準作業，也可透過積極參與國際合作計畫的模式，奠定台灣在洋流能發電機組認證與標準的國際地位。
在測試場的營運模式方面，由於目前國內所選定的洋流能發電場址不僅可作為測試場，也是作為洋流能示範電廠的合宜位址。因此，產生「測試場是否等於好的示範電廠」的規劃議題。目前計畫團隊所規劃的場域定位將作為專責的洋流能測試場，抑或是作為示範電廠，將影響到後續營運模式之設計與規劃。綜觀歐美（EMEC/PacWave）的發展經驗，通常以發展專責的測試場為主要定位，且基於營運單純化的角度，採取「公辦民營」的方式經營。因此，台灣有必要先確認目前所選定位址的具體發展定位，以便利後續營運模式之設計與規劃。
四、 主要建議事項
(一)須建置長期且完善的海域調查機制或資料庫，確保未來測試場建置的安全性。目前所進行的海域調查多為短暫性（短則數月，長則數年）的調查，欲建置一個完善的測試場域還需仰仗長期且持續性的海域調查資訊，才可更有效掌握海域環境的變 化，確保建置過程的安全性。
(二)研擬測試流程需視測試場的範圍及整體設計規劃而定，目前場域相關資訊尚不足，建議更全面性的進行盤查，以利測試流程的研擬。測試流程雖需視廠商的發電機組概況進行客製化設計，但目前對於場域的範圍、可接受怎樣的發電機組的資訊尚不 健全，相關技術團隊有必要儘快將相關規格確立下來，以利後續規劃。
(三) 現行國際標準中，尚未出現與洋流發電相關的標準可供參考。雖可先行參考波浪 能、潮汐能適用的相關標準規範，但發電機組的測試驗證仍需有一套評判的基準，建議技術團隊先行嘗試研擬可能的技術規格，以便利後續測試流程與驗證機制的設 計與規劃。
(四) 國際測試流程的擬定主要以「個案處理服務」模式進行，具體的流程仍需視廠商需求而定。但要作為一個合格的測試場，從場域建置、服務項目至營運團隊都需獲得相應的認證，才可提供具公信力的測試報告及後續部署建議。建議與歐美專責測試場建立合作機制，透過參與海洋能相關領域之國際組織會議，掌握國際發展動態， 提升台灣洋流能技術與測試場國際化程度。
(五) 目前之選址，既可作為洋流能測試場，也適合做為洋流能示範電廠，兩者所牽涉的影響因子與營運模式存在方向上的差異。建議主管機關先就未來需求進行場域定位 的設想，後續才能提供相應的營運模式設計與規劃建議。
(六) 測試場的營運模式可採「公辦民營」的模式，公部門既可維持一定程度的監督與管理責任，負責營運的團隊也可維持一定的自由度。但更為重要是宜積極去爭取營運測試場所需的相關認證，以強化測試場之職能與公信力。
(七) 測試場第三區的可用錨定區域很小，雖適合作為單錨碇基座的測試場使用，但不適 合作陣列多輪機發電廠使用，因陣列發電廠需採用陣列錨碇系統。
(八) 考慮洋流由南向北流為主，多輪機發電廠將最適合東西向多錨碇基座陣列方式。故 第一區東西向可用寬度比第二區大很多。
(九) 400kW 洋流能測試場如採用海底電纜，建議電纜規格為 AC Cable/三芯 Cable/XLPE Cable。另以 400kW 發電機組儲能 0.5 天以上 30 天以下，建議採用液流電池(Flow battery)。