TW202106968A - 發電量可大於抽水耗電的抽蓄發電 - Google Patents
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Abstract
傳統抽蓄發電至少包含一個下池，一個上池，一個連通上池與下池內部的管路，一個可逆的抽水/發電機，並以抽水機將水由下池抽到上池儲存，再以發電機將水由上池放到下池發電。
因為損耗，傳統抽蓄發電的發電量必然小於抽水的耗電量。
本專利則提出一種發電量可大於抽水耗電的抽蓄發電方法。
Description
本專利係關於國際專利分類號F03B013/08與F03B013/12抽蓄發電與潮汐發電的方法。
由於核廢料無法處理且核電廠災變頻傳，以及火力發電造成空氣汙染，目前全世界都積極發展再生能源，導致再生能源在電力供應的占比愈來愈重。
但是，再生能源的間歇性也造成供電穩定的困擾，使得能源儲存日益重要。包含鋰電池、超電容、氫氣加燃料電池、飛輪、壓縮空氣、儲熱、儲冰、超導與抽蓄水力等都是備受關注的儲能方式。
由於其他方式的儲能都侷限於少量的能源，依據國際再生能源總署2015年的統計，全球百分之99的能源都以抽蓄水力的方式儲存，像日本裝設26GW，中華人民共和國23GW，美國20GW，義大利7GW，法國7GW，奧地利5GW，德國5GW，西班牙5GW。
連台灣也在明湖與明潭抽蓄電廠共裝設了2.6GW，而且還評估要再規劃新的光明抽蓄電廠。
傳統抽蓄發電至少包含一個下池，一個上池，一個連通上池與下池內部的管路，一個可逆的抽水/發電機，並以抽水機將水由下池抽到上池儲存，再以發電機將水由上池放到下池發電。
傳統抽蓄發電會有水量不足的問題，日本公開JPH11122845A以地下水槽為下池，收集大雨時的河水與排水系統的水來充沛水源。日本公開JPH0378569A以地下水槽為下池，海為上池，以無窮的海水為水源。中華人民共和國公開CN107816409A以地下水槽為下池，河川與湖泊為上池，以河水與湖水為水源。中華民國I295338則引用河水進行潮汐發電。
除了以地下水槽為下池，日本公開JPS59134215A則改為以海為下池，陸地上的蓄水池為上池。
日本公開JPS59134216A除了以海為下池，陸地上的蓄水池為上池之外，還利用河水增加水量，並於滿潮時抽水，但因上池底部(陸地)高於下池最高水位(漲潮海平面)，依然耗用大量電能抽水。
中華人民共和國公開CN102536669A以陸地上的水槽為上池，潮汐發電的潮池為下池，漲潮時以風力與潮汐的發電量抽水，但因上池底部(陸地)高於下池頂部，依然耗用大量電能抽水。
美國公開US20120019004A2企圖以洋流驅動水輪將下池的水抽到上池，但是得不償失，因為水輪的損耗，抽水再放水的發電量還不如直接以洋流驅動水輪再帶動發電機的發電量，是一個畫蛇添足的設計。
美國公開US20150176559A1與US20150091301A1以及US20140060028A1，還有中華人民共和國公開CN107676216A與CN108843504A，都企圖以空氣壓力提升抽蓄發電的效能。日本公開JP2011179481A則以浮力提升抽蓄發電的效能。
中華民國593880，593882，432168以浮體提升潮汐發電的輸出。
中華民國593881設計讓潮池的底部低於低潮線來增加滿潮時的發電量。
但是，因為必然有損失，所以傳統抽蓄發電的發電量必然小於抽水的耗電量。
本專利提出一種發電量可大於抽水耗電的抽蓄發電法，故本專利與傳統抽蓄發電比較具有新穎性與進步性。
本專利提出一種發電量可大於抽水耗電的抽蓄發電法，有別於傳統抽蓄發電上池底部高於下池頂部的設計，本專利提出的抽蓄發電上池底部與下池底部為等高，係在海邊以堤壩形成潮池，以海與潮池交互為上池與下池，水位較高者即為上池。
傳統抽蓄發電抽水的揚程與放水的落差相等，但因抽水機與發電機都有損耗，導致發電量小於抽水耗電。假設抽水輸入電能為P，抽水機效率0.8，則抽水儲存的能量為0.8P。將相同水量以相同落差發電，假設發電機效率0.8，則發電量為(0.8)(0.8P)=0.64P，只剩當初抽水耗電量的百分之64。
本專利在潮池與海洋水位等高的滿潮時段將水由海洋抽到潮池，使潮池水位高於滿潮線，則於退潮發電時，因落差增大而得更多發電量。
本專利在潮池與海洋水位等高的低潮時段將水由潮池抽到海洋，使潮池水位低於低潮線，則於滿潮發電時，因落差增大而得更多發電量。
與日本公開JPS59134216A比較，該案雖然也於滿潮時抽水，但因上池底部(陸地)高於下池最高水位(漲潮海平面)，而本案上池底部與下池底部為等高，故該案將比本案耗用較多電能抽水。
與中華人民共和國公開CN102536669A比較，該案以陸地上的水槽為上池，潮汐發電的潮池為下池，漲潮時以風力與潮汐的發電量抽水，但因上池底部(陸地)高於下池頂部，依然比本案耗用更多電能抽水。
與中華民國593881比較，該案只在低潮時抽水，本案則主要是在滿潮時抽水。如果低潮線與海底地面等高或高度差小，則中華民國593881的提升效果將嚴重受限，本案主要是在滿潮時抽水，水位差可增加的空間較大，效能較佳。
故本專利與傳統抽蓄發電或傳統潮汐發電比較都具有新穎性與進步性。
A‧‧‧海底
B‧‧‧堤壩
C‧‧‧海洋
D‧‧‧潮池
U‧‧‧滿潮線
L‧‧‧低潮線
S‧‧‧潮池水位線
H‧‧‧潮差
H1‧‧‧滿潮抽水陽程
H2‧‧‧低潮抽水陽程
G‧‧‧抽水/發電機與相關管路與閥門
第1圖 本案說明各水位相對位置的代表圖
第2圖 傳統潮汐發電滿潮開始發電示意圖
第3圖 傳統潮汐發電滿潮停止發電示意圖
第4圖 傳統潮汐發電低潮開始發電示意圖
第5圖 傳統潮汐發電低潮停止發電示意圖
第6圖 本案滿潮開始發電示意圖
第7圖 本案滿潮停止發電示意圖
第8圖 本案滿潮抽水示意圖
第9圖 本案低潮開始發電示意圖
第10圖 本案低潮停止發電示意圖
第11圖 本案低潮抽水示意圖
如第1圖所示，說明各水位相對位置，首先以堤壩(B)由海洋(C)中區隔出潮池(D)，並於海洋(C)與潮池(D)之間裝設抽水/發電機與相關管路與閥門(G)，其中潮差(H)為滿潮線(U)與低潮線(L)之間的高度差；滿潮抽水陽程(H1)為潮池(D)於滿潮時段抽水後，潮池水位線(S)與滿潮線(U)之間的高度差；低潮抽水陽程(H2)為潮池(D)於低潮時段抽水後，潮池水位線(S)與低潮線(L)之間的高度差。
傳統潮汐發電如第2圖所示，假設潮池水位線(S)在低潮線(L)，海洋(C)漲潮到接近滿潮線(U)時，以海洋(C)為上池，潮池(D)為下池，打開抽水/發電機與相關管路與閥門(G)，讓海水由海洋(C)流入潮池(D)以H的落差發電。
如第3圖所示，當潮池水位線(S)達到滿潮線(U)時，關閉抽水/發電機與相關管路與閥門(G)停止發電。
如第4圖所示，當海洋(C)退潮到接近低潮線(L)時，以潮池(D)為上池，海洋(C)為下池，打開抽水/發電機與相關管路與閥門(G)，讓海水由潮池(D)流入海洋(C)以H的落差發電。
如第5圖所示，當潮池水位線(S)達到低潮線(L)時，關閉抽水/發電機與相關管路與閥門(G)停止發電。
與傳統抽蓄發電比較，傳統潮汐發電以漲退潮取代抽水，2次都是發電，但傳統抽蓄發電卻是1次發電，1次抽水耗電。此外，傳統抽蓄發電必須找到2個位置相近，容量夠大，而且落差大的蓄水池，可建造位置稀少，但台灣等臨海地區，可供建造潮池的地點相對容易找到，可應用範圍更廣。
實施範例一(滿潮與低潮都抽水)：本專利如第6圖所示，假設潮池水位線(S)與海底(A)等高，也就是潮池(D)內沒有水(被抽乾)。海洋(C)漲潮到接近滿潮線(U)時，以海洋(C)為上池，潮池(D)為下池，打開抽水/發電機與相關管路與閥門(G)，讓海水由海洋(C)流入潮池(D)以(H+H2)的落差發電。與傳統潮汐發電第2圖比較，落差由H增加為(H+H2)，可在滿潮時段獲得較多發電量。若滿潮時段恰為用電尖峰時段則效益更佳。
如第7圖所示，當潮池水位線(S)達到滿潮線(U)時，關閉抽水/發電機與相關管路與閥門(G)停止發電。
如第8圖所示，以海洋(C)為下池，潮池(D)為上池，打開抽水/發電機與相關管路與閥門(G)，將海水由海洋(C)抽入潮池(D)，使潮池水位線(S)超過滿潮線(U)H1高度，關閉抽水/發電機與相關管路與閥門(G)停止抽水。
如第9圖所示，當海洋(C)退潮到接近低潮線(L)時，以潮池(D)為上池，海洋(C)為下池，打開抽水/發電機與相關管路與閥門(G)，讓海水由潮池(D)流入海洋(C)以(H+H1)的落差發電。與傳統潮汐發電第4圖比較，落差由H增加為(H+H1)，可在低潮時段獲得較多發電量。若低潮時段恰為用電尖峰時段則效益更佳。
如第10圖所示，當潮池水位線(S)達到低潮線(L)時，關閉抽水/發電機與相關管路與閥門(G)停止發電。
如第11圖所示，以海洋(C)為上池，潮池(D)為下池，打開抽水/發電機與相關管路與閥門(G)，將海水由潮池(D)抽入海洋(C)，使潮池水位線(S)低於低潮線(L)H2高度，關閉抽水/發電機與相關管路與閥門(G)停止抽水，然後等待漲潮回到第6圖進入下1次循環。
本案與傳統潮汐發電比較，低潮時段發電落差由H增加為(H+H1)，滿潮時段發電落差由H增加為(H+H2)，可在低潮時段與滿潮時段都獲得較多發電量，故本專利具有新穎性與進步性。
傳統抽蓄發電抽水的揚程與發電的落差相等，因為抽水/發電機組的效率必然小於1，故發電量必然小於抽水的耗電量。但本案發電的落差為(H+H1)或為(H+H2)，大於抽水的揚程H1或H2，故發電量可大於抽水的耗電量。因此本案與傳統抽蓄發電比較具有新穎性與進步性。
實施範例二(只在滿潮抽水)：如第2圖所示，假設潮池水位線(S)與低潮線(L)等高，海洋(C)漲潮到接近滿潮線(U)時，以海洋(C)為上池，潮池(D)為下池，打開抽水/發電機與相關管路與閥門(G)，讓海水由海洋(C)流入潮池(D)以H的落差發電。
如第7圖所示，當潮池水位線(S)達到滿潮線(U)時，關閉抽水/發電機與相關管路與閥門(G)停止發電。
如第8圖所示，以海洋(C)為下池，潮池(D)為上池，打開抽水/發電機與相關管路與閥門(G)，將海水由海洋(C)抽入潮池(D)，使潮池水位線(S)超過滿潮線(U)H1高度，關閉抽水/發電機與相關管路與閥門(G)停止抽水。
如第9圖所示，當海洋(C)退潮到接近低潮線(L)時，以潮池(D)為上池，海洋(C)為下池，打開抽水/發電機與相關管路與閥門(G)，讓海水由潮池(D)流入海洋(C)以(H+H1)的落差發電。與傳統潮汐發電第4圖比較，落差由H增加為(H+H1)，可在低潮時段獲得較多發電量。若低潮時段恰為用電尖峰時段則效益更佳。
如第10圖所示，當潮池水位線(S)達到低潮線(L)時，關閉抽水/發電機與相關管路與閥門(G)停止發電，然後等待漲潮回到第2圖進入下1次循環。
因為低潮線(L)可能與海底(A)等高或高度差小，也就是H2可能很小，則低潮時段抽水的提升效果將嚴重受限，本實施範例只在滿潮時抽水。
此外，依據台電網站2019年5月4日的用電曲線，9時到24時為用電尖峰時間，其餘為用電離峰時間。
另外，依據氣象局網站2019年5月4日的馬祖潮汐預報表，第1次低潮為4點12分為用電離峰時間，第1次滿潮為10點1分為用電尖峰時間，第2次低潮為16點24分為用電尖峰時間，第2次滿潮為22點19分為用電尖峰時間。
所以，如果不想在發電量已經過剩的用電離峰時間再增加發電量，可選用實施範例二只在滿潮時段抽水。
但若用電離峰時間可以將高汙染的燃煤機組降載或關機，則可選用實施範例一，同時在滿潮時段與低潮時段都抽水來增加發電量，以幾乎無汙染的潮汐抽蓄發電取代原本有供電但被降載或關機的高汙染燃煤機組，為改善空氣品質，提升民眾健康進1份心力。
增加再生能源來取代核廢料無解的核能發電與高汙染的燃煤發電已是必然的趨勢，但再生能源的間歇性需要依賴可快速反應的大量儲能設施來維持供電的穩定。傳統抽蓄發電雖然是全球有志一同的儲能選擇，但是可建造的地點與容量都嚴重受限，而且抽水耗電量大於發電量更是致命傷。本專利提出結合潮汐與抽蓄的發電方案，不但可建造的地點與容量都較多較大，最重要的是：可讓發電量大於抽水耗電量。期待此一兼具實用性、新穎性與進步性的方案，能使未來的能源供應與空氣清新邁入嶄新的一頁。
A‧‧‧海底
B‧‧‧堤壩
C‧‧‧海洋
D‧‧‧潮池
U‧‧‧滿潮線
L‧‧‧低潮線
S‧‧‧潮池水位線
H‧‧‧潮差
H1‧‧‧滿潮抽水陽程
H2‧‧‧低潮抽水陽程
G‧‧‧抽水/發電機與相關管路與閥門
Claims (2)
- 一種發電量可大於抽水耗電的抽蓄發電，至少包含：一海洋，用於提供空間與海水；一堤壩，用於在海洋中分隔出至少一個潮池；一潮池，用於蓄水；一抽水/發電機與相關管路與閥門，位於堤壩中且連通潮池內部與海洋，用於將水在海洋與潮池之間轉移以達發電或蓄能之目的；藉由漲潮時由海洋放水到潮池內發電，產生與傳統潮汐發電相同功能，並於潮池水位上升到接近滿潮線時由海洋抽水到潮池內儲存，使潮池水位高於滿潮線，退潮時由潮池以大於潮差的落差放水到海洋發電，以增加發電落差與發電輸出者。
- 如申請專利範圍第1項之發電量可大於抽水耗電的抽蓄發電，其中，由潮池放水到海洋發電，當潮池水位降低到接近低潮線時由潮池抽水到海洋，以增加發電落差與發電輸出者。
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