#阿瑪浪況預測小教室
為什麼浪人們都很早出門?
為什麼清晨海相比較乾淨呢?
為什麼關燈浪很有機會?
本週主題是『對流風與潮汐的交錯影響』
首先比熱是指容易受到外界影響溫度的變化
海洋比熱大,陸地比熱小
受到日曬加溫後陸地相對容易升溫
好像熱騰騰的火鍋上煙霧繚繞
原本火鍋上空氣上升只好由其他的空氣遞補
空氣移動就是風吹原理,由海向陸地即為海風
浪人追求鏡面海浪
本週天氣炎熱太陽高照,請早點出門
睡晚了剩下皺皺海面我們就是裡面掙扎湯料
對流風下午隨著熱力減低減少上升速度
回到由陸地吹向海洋的陸風
所以常常聽到關燈浪多好又多好不是都市傳說
需要注意的是在天氣尺度上對流風是小範圍
當大範圍強度超過小範圍變化則不考慮對流風
颱風外圍與東北風強時就是好例子
潮汐的高低影響請參考圖片說明
並非鐵例需要對應不同地形
例如梗枋與北海的餐廳,過乾都不適合
在浪況推測上兩者個交互影響是:
對流風起時間與潮汐時間需要互相搭配
以本週宜蘭北提為例
週六滿潮11點半,可能起風時間是10點
適合下水時間就是7~9點
超過這個時間需要考慮不受對流風吹的點
例如福隆(但浪小)
回到本週整體情況:
週末天氣好,大太陽小順浪的優秀春夏型態
各地浪偏小,北部找標準夏天浪點閃東南風
週六全點開偏小,宜蘭幾個觀光勝地地形不好
可考慮竹安,大福,清水,無尾等等
他們共通點是容易受對流風影響時間請早
至於展覽就丟一邊
這種週末天氣不往海邊走可惜
#雖然浪小別輕忽海流速度
#下水請保持結伴與定位
#拜訪浪點請注意禮貌與規則
#只是大方向建議詳情請詢問各地衝浪店家
#各地店家擁有最準確的經驗分享
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打開電力新視野 - 日月潭抽蓄發電成典範 光輝歷史 風華再續(06/01/2020 台電月刊690期)
讓我們避免無謂的口水戰、意識形態先入為主,報真導正,回歸客觀、持平、專業的角度來看待能源轉型的各面向議題。
文後還有一系列相關的議題探討、解析,也頗值得大家參考。
台電月刊第690期封面故事專題企劃 - 日月潭抽蓄發電成典範 光輝歷史 風華再續
日月潭擁有全臺唯二的抽蓄水力電廠,在迎向能源轉型的今日,抽蓄機組肩負尖峰急救電力、確保供電穩定的重任,更許諾日月潭的永續經營。
來到日月潭,總讓人放慢腳步,欣賞一年四季、晨昏變幻的美,加上環湖步道與休憩設施完善,每年吸引超過600萬人次造訪,2019年更獲選全球百大綠色旅遊目的地。
然而,一般人可能不知道,日月潭不僅具有觀光休憩功能,還是提供發電的大型水庫。日月潭每日水位有將近2公尺的水位落差,這不是潮汐現象,而是台電大觀二廠、明潭發電廠每日進行抽蓄發電造成,順此變化,遊艇停靠區的碼頭設計多採用浮排;日月潭能保持清澈、避免優氧化,原因之一是抽蓄發電使潭水經常在上池(日月潭)及下池(明湖水庫、明潭水庫)間流動所致;當地餐廳供應的鮮美潭魚,則來自台電每年放養魚苗、嘉惠漁民;身為日月潭水庫管理機構,台電還肩負著水庫清淤與集水區邊坡維護工作,讓美景長青。
水力發電原鄉 再續光輝歷史
早在日治時期的1930年代,臺灣電力株式會社(台電前身)奠立了日月潭複雜的水力發電系統,興築水社壩與頭社壩形成日月潭人工湖,潭水來自濁水溪上游,在南投縣仁愛鄉武界地區築壩攔水,經15公里長的引水隧道,引水注入日月潭,形成「離槽水庫」(即不建在溪流本流上的水庫,與「在槽水庫」相對),同時利用水位落差引水至兩座發電所(即今大觀一廠與鉅工分廠)進行發電,發完電的水再度回歸濁水溪,流經下游集集攔河堰以供應彰、雲地區的農、工、民生用水。
1970年代「第一次世界能源危機」之後,世界各國紛紛投入開發抽蓄水力發電,加上1970年代末,臺灣經濟快速成長,尖峰用電需求急遽增加,政府乃提出抽蓄發電計畫,大觀二廠、明潭發電廠先後於1985年及1995年落成啟用,明潭發電廠完工時是當時亞洲第1大、世界第4大抽蓄電廠。兩廠分別可輸出最高100萬瓩及160萬瓩電量,占今日全臺總裝置容量約6.2%,至今仍是臺灣僅有的兩座抽蓄電廠。
如果以球隊成員來比喻不同類型的電廠在電力系統裡的角色,抽蓄電廠就像一位可靠而敏捷的「備援投手」。發電處李崇賓處長指出,這是因為抽蓄機組有「起動迅速、升降載速度快、線上調度及離峰抽蓄儲能」4項特點,遇到系統負載尖離峰變化過於劇烈,或是發生大型機組跳脫導致系統頻率下降,它都能在短短數分鐘內立刻上場救援。同時,抽蓄水力發電原始設計理念是利用離峰時段剩餘電力抽水,在白天尖峰時刻放水發電,以替代其他較昂貴的發電方式,有降低發電綜合成本之效。
抽蓄發電將水資源循環利用
抽蓄電廠與日月潭風光休戚與共,然而,環湖一圈也難見廬山真面目,得翻過西側的阿里眉山來到南投縣水里鄉,往濁水溪支流的水里溪畔探尋。
來到大觀發電廠廠區,訪客第一眼總被山頂磅礡直下的5支綠色壓力鋼管所吸引,下方連接的土黃色平頂廠房為1934年建成的大觀一廠,明湖水庫則位於一廠北端,順河谷地形而建。
大觀二廠從日月潭西側水社附近取水,水從兩條各2,380公尺及2,350公尺的引水隧道,一路穿過中潭公路下方,再由壓力鋼管輸送至發電機組;明潭發電廠亦有兩條引水隧道,不同是在過河段有明管跨越頭社溪,在明湖水庫下游的水里溪築壩成明潭水庫。
抽蓄發電的原理是,水輪機帶動發電機順轉方向即發電,當離峰用電時段,再利用系統剩餘電力,將發電機反轉作為馬達帶動水輪機,把下池儲存的水順原水路,抽送回上池蓄存待用,如此循環利用,完全不浪費水資源。
來訪這天,大觀發電廠黃陵育副廠長帶領我們走至明湖水庫壩頂,愈靠近山壁的4道尾水閘門,愈能聽見從地底深處傳來的隆隆聲響。「這是大觀二廠正在發電,尾水排放的聲音。整座地下廠房就藏在山腹內,距離下池水面還有70至80公尺深!」黃陵育解釋,這是抽蓄機組的必要深度,「因抽水運轉啟動前,為了減輕動輪的阻力,必須先將原本充滿水輪機的水,利用空氣壓力向下壓。」
深入發電心臟 一窺抽蓄機組奧秘
要進入地下廠房,得從隧道深入。抽蓄電廠的裝置容量大,因此設備也比其他大型水力電廠來得龐大與複雜,而明潭發電廠地下廠房的量體,是所有地下廠房中最大的,其頂拱距地表約300公尺,內部空間縱向高度46公尺、長158.4公尺、寬22.4公尺,看不見的連續壁厚達2至3公尺。
大觀發電廠土木組張立平經理30多年前曾參與抽蓄工程營造,他回憶,「地下廠房開鑿時得另挖橫坑,將土石不斷清運,也要處理岩壁滲水問題。」當時有人形容開挖範圍之大:「將台電大樓結構物橫放進去,綽綽有餘」。
明潭發電廠運轉組林永聯經理與供應組廖宜英經理帶我們穿梭在迷宮般的地下電廠,最頂層稱為地下1樓,為裝機台,6部發電機排成一列,上蓋燈亮表示運轉中,因大修時需要操作起重機進行拆解與組裝,空間設計得空曠、挑高;廖宜英指著屋頂上兩部移動式起重機:「大修時最重的物件是發電機轉子,約重375噸,但一部起重機最大吊重是250噸,因此必須兩部聯合操作才吊得起來。」
走至地下2至5樓,可見水輪機隆隆運轉,各層佈滿穿來引去的各種管路、水閥裝置、調相設備、監測儀表等,侷促空間卻是值班人員每日梭巡的工作場所。曾任值班主任、經歷過傳統人工操作的林永聯說,電廠值班採「4班3輪」制,即連續3天輪值大夜班、白天班、小夜班,第4天休息,如今雖改由值班主任於控制室遠端遙控操作,現場還是需要兩名值班人員定時巡視,遇到操作系統發生異常(例如漏水、漏油),要有停電檢修與故障排除能力。
維修保養有道 隨時上場應戰
為精簡人力,1999年起,明潭發電廠廠長兼任大觀廠長,各廠下設兩位副廠長;大觀發電廠又分一廠及二廠,明潭發電廠另管轄鉅工分廠、水里機組、北山機組、濁水機組,所有機組皆可由明潭發電廠遙控操作。
明潭發電廠許宗源廠長指出,抽蓄機組的起停運轉時間及發電量大小,受電力調度處中央調度中心指揮調度。「抽蓄電廠的特性是,因調度頻繁,設備耗損較大,維護、保養與檢修也相對頻繁。」他解釋,設備維修的頻率,與運轉時間及操作次數有關。以開關場的斷路器為例:抽蓄機組斷路器一天動作4、5次,操作2,000次必須檢修,操作1萬次就得更新。「抽蓄電廠6、7年就達到操作1萬次,其他水力電廠用幾十年還達不到。」
設備維護分為定期檢查及大修兩種。抽蓄機組每8至9年需進行大修,費時4個月,大修的主要項目由電力修護處負責,「光是拆卸就要花20幾天,回裝更難,需要30幾天,中間60天做檢修。」大觀發電廠曾東釗副廠長指出,為了控制工期,大修時會將不同工項一併來做,例如同時進行調速機、勵磁系統、發電機線圈的更新,零件都須事先準備,有些零件還要現場精修。
抽蓄機組大修期間等於缺少一名「備援投手」,對電力調度茲事體大,因此,電力調度處會密切掌握與協調大修時程,「2018年備轉容量在6%以下時,抽蓄機組大修就曾臨時喊停,因為此時電力系統特別需要抽蓄機組補足電力。大修開工後,若有需要延期,也要立刻向調度處說明,以做好因應。」許宗源說。
抽蓄機組必須勤維護,才能保持最佳狀態,隨時上場打仗。2015年蘇迪勒颱風襲臺,深夜裡和平、協和、麥寮發電廠接連全停電(和平、麥寮為民營電廠),導致系統頻率急降,就是靠正在抽水模式的抽蓄電廠緊急跳脫因應,才化解限電危機。又如,2019年8月,麥寮電廠因故障導致3部機組同時跳機,也是靠抽蓄機組自動卸載來穩定頻率,避免限電。
「真英雄是沒有故事可以講的,」電力調度處吳進忠處長曾如此讚揚抽蓄機組貢獻:「因為真英雄第一時間出手就把問題給解了。這就是抽蓄機組的儲能價值。」
再生能源蓬勃發展 抽蓄電廠新使命
因應政府能源轉型政策,目標2025年將有2,570萬瓩的太陽光電與風力併接於台電電網,然而,再生能源具有間歇性及瞬間出力變化劇烈的特性,對於電力系統調度的挑戰大,使得抽蓄機組的調頻服務更受倚重。
許宗源指出,過去2年來抽蓄電廠已經配合再生能源執行調度,今(2020)年太陽能併網大幅躍進,預估到今年8、9月時,太陽能加上風力的「瞬間」發電量將超過400萬瓩,「往後調度只會更加複雜,發、抽次數變得更頻繁,且不一定何時發、何時抽。」許宗源說。
他舉例,以前是白天尖峰時段發電,如今豔陽高照的中午,不可能透過火力電廠降載,只能靠抽蓄機組以太陽能的電來抽水,平衡系統負載,「最近就創下中午3部機同時抽水的紀錄。」
抽蓄機組設備操作次數增加,代表設備維修更頻繁,人力成本也相應提高。曾東釗點出,「不能讓變化追著跑,抽蓄電廠要先做好準備,積極應戰,發揮存在的最大價值。」電廠因應之道包括,年輕同仁都會派去其他廠支援大修,增加交流與磨練機會;建立大修作業指導書,現在還加上縮時攝影,讓核心技術不斷層。「同仁也要有心理準備,未來值班是日班忙、夜班也操。」曾東釗說。
擁抱綠電 與自然共生
面對再生能源併網對系統調度的挑戰,除了兩座抽蓄電廠持續配合調度,電源開發處也正著手進行「大甲溪光明抽蓄水力發電可行性研究」,是利用德基水庫做上池,下游的谷關壩做下池,目前分成「抽蓄式」與「抽水式」兩案,還在綜合考量評估中,將適時提出可行方案。
同時,台電也與民間企業合作研發大型儲能系統,甫於今(2020)年5月中旬啟用的金門塔山發電廠夏興分廠之儲能系統,是重要里程碑;推動中的智慧電網,對於再生能源預測與電網調度亦是必要基礎建設;燃氣複循環機組未來也將加入調頻服務的行列。
承接著百年光輝歷史,日月潭抽蓄發電持續締造傳奇,並許諾日月潭的永續經營,不僅是系統最忠實可靠的備援投手,也是現代電廠的綠色典範。
完整內容請見:
https://tpcjournal.taipower.com.tw/article/3969
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第二部分「為何感覺不到地球自轉?非慣性座標系裡的慣性力」
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未讀第一部分的朋友可以先看:facebook.com/davidyu.phycat/posts/239431704213490
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感覺不到地球自轉的原因就像感覺不到地球表面彎曲的一樣,人類對比地球實在太渺小。正如必須望向遠方海平線才能看見船帆先於船身出現,我們亦必須跨過遙遠的距離才能感受到地球自轉所造成的影響。
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大家有玩過公園裡的遊樂設施「氹氹轉」嗎?它是一個會旋轉的大圓盤,盤上有支架。如果我們捉住支架在地上圍著氹氹轉走,然後跳上去,我們會感覺到一股力將我們推出去。這時放手的話就會被拋出去了,這就是所謂的「離心力」(centrifugal force)。如果各位在香港坐過會上高速公路的小巴,亦可以感受這種刺激的感覺。
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但如果我告訴你,離心力其實並不存在呢?事實上,離心力屬於慣性力(inertial force),又稱為假想力(fictitious force),是在非慣性參考系觀察物理現象的產物。參考系是數學語言,指用來描述物體位置、速度等物理參數的坐標系統。慣性參考系就是互相靜止不動或者以等速移動的坐標系。
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簡單來說,雖然牛頓力學在日常情況下適用於任何參考系,但在非慣性參考系裡使用牛頓力學就會出現慣性力。最常見的例子就是圓周運動。站在氹氹轉上的人在進行圓周運動,運動方向有所改變(注意物理學中的速度概念包含速率和方向),因而是個非慣性參考系。而站在地上看著氹氹轉的人則身處一個慣性參考系之中(事實上只是近似慣性參考系,因為地球也在動)。
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因為氹氹轉在旋轉,慣性定律卻說物體在不受外力的情況下只會沿直線前進,在氹氹轉上就必須施力才能跟隨氹氹轉旋轉,一旦放手就會被「拋出去」。然而,氹氹轉旁邊的觀測者只會看見一個因捉不住支架而直線飛出去的人。順帶一提,捉住支架的力當然是真實的力,叫做向心力(centripetal force)。
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現在可以回到地球自轉的問題。會自轉的地球是個非慣性參考系。就像在氹氹轉上一樣,地球上也會感受到離心力。事實上,這個離心力會抵消掉部分重力,使我們在不同緯度感受到不同的體重!用比較精確的物理詞彙,就是重力的一部分提供了給跟隨時球自轉所需的向心力。
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由於赤道與地球自轉軸的垂直距離最遠,自轉速率最快,需要較多部分的重力提供向心力。南北兩極與地球自轉軸的距離則為零,重力無需提供給向心力。因此,站在赤道時的離心力會令體重比站在南北極時減少大約0.35%。
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另一個我想簡單介紹的慣性力叫做科里奧利力(Coriolis force,簡稱科氏力),或者叫做科氏效應(Coriolis effect),描述在地球表面上移動時感受到的慣性力。由於地球並非一個圓盤而是個球體,因此科氏力的方向並不在本地水平面(local horizon)之上,與之有個夾角。把這個力拆開,可以得到兩個方向的分力,分別為與水平面平行的分力(遺憾地,這個分力亦稱為科氏力),和與水平面垂直的、稱為Eötvös效應的分力。
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平行本地水平面的科氏分力會使任何在北半球水平移動的物體向移動方向的右方偏轉(俯視時為順時針方向),同時使任何在南半球水平移動的物體向移動方向的左方偏轉(俯視時為逆時針方向)。這就是颱風形成的原因,因而源自南半球和北半球的颱風會有相反的旋轉方向。Eötvös效應會在除離心力之外進一步改變我們感受到的重力。向東走時,Eötvös效應會進一步加強離心力,抵消更多的重力。反之,向西走時反而會加強了向下的力,就好像加強了重力般。
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[有趣的是,源自北半球的颱風是逆時針方向旋轉的,剛好與科氏效應相反!這是因為颱風的形成過程是三維的,我正在寫一篇文章詳述。]
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日常生活感受不到上述離心力、科氏力和Eötvös效應的原因很簡單,就是因為人類相對地球的尺寸來說,太過渺小。只有在作長距離移動時,我們才能察覺到這些慣性力。例如,炮彈彈道計算必須考慮地球自轉、飛機飛行感受到科氏力、大規模空氣流動形成颱風等。順帶一提,有都市傳說指科氏效應會導致南北半球馬桶沖水方向相反,這是不正確的。對比地球尺寸,馬桶實在太渺小了,作用在沖廁水上的科氏力比沖廁時水流的隨機擾動細微得多,沖水方向並不會受科氏效應影響。
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歷史上首位直接測量到科氏效應的人是德國化學家懷斯(Ferdinand Reich)。物件自由落下時,由於移動方向為地心,計算指出科氏力會指向東面。在1831年,懷斯從160米高的地方掉下物件,發現物件落下的地點果然向東偏差了2.8厘米。
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那有沒有辦法在不作長距離移動的情況下,證明地球會自轉?答案是肯定的。1851年,法國物理學家傅科(Jean Bernard Léon Foucault)用一個簡單實驗證明了地球確實會自轉。他用一條67米長(好吧,這也很長就是了⋯⋯)的線吊著一個28公斤重的鉛球,形成一個很長很重的擺,掛在巴黎先賢寺的天花版上。因慣性定律同樣適用於鐘擺,擺動平面在慣性參考系裡不會改變。擺動平面不變與物理學中的角動量守恆原理有關。但因地球自轉,地球上的人就會觀察到擺動平面隨著時間改變。
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[這個實驗設備稱為傅科擺(Foucault pendulum),是世上每個科學博物館的必備展品。很多人會在早上很早就到博物館去,就是為了看工作人員開始擺動傅科擺的一刻。]
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現在我們理解到,古希臘時代的差不多兩千年後,懷斯與傅科的實驗終於直接證明了地球會動。我們會在下一節討論太空是否真的是「無重力」。
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影響颱風移動的幾個力
a. 作用於整個颱風渦旋上的地轉偏向力F
在自轉的地球上, 完全沒有外力時, 一個空氣質點如果受了一個衝量而向北運動時
, 因地球偏向力的作用, 質點的軌跡將是一個順時針的近似圓, 稱為慣性圓; 也就是說
, F將使北半球的颱風作順時針的慣性圓運動。在沒有外力的情況下(如均勻的環境氣壓댊場中,外力為0,颱風又較小,內力為0;或外力與內力的抵消時),在偏向力作用下,颱風將出
現慣性圓運動。
b. 作用於整個颱風渦旋上的水平氣壓梯度力,即外力G
颱風將沿著它所在厚度內整層平均的大型流場的地轉風方向移動。移速就是大型流場
速率的平均值, 這就是所謂的引導氣流原理。在東風帶中, 颱風基本上西行; 西風帶中則
相反, 颱風往東移動。
作為引導氣流, 本應是整層平均氣流, 實際上往往以某一層(引導位面)氣流來代替。
據統計, 在西太平洋上, 北緯15度以北, 颱風移向與700或500百帕斯卡位面上的氣流較一
致。而在北緯10度以南, 則以300或200百帕斯卡為引導層較好。
c. 颱風渦旋內部流場結構在地球自轉作用下產生的內力I
總的內力是指向北偏西。颱風越大、越強, 颱風的內力也越強。若颱風東北部風速最
大, 則颱風將向西北方向移動; 若西北部風速最大, 則移向西南。
若颱風東北部風速最大, 則颱風將向西北方移動;若西北部風速最大, 則移向西南。即뀊颱風受最大風速引導。若颱風東南部(西南部)風速最大, 則颱風將往東北-北-西北方(東南-南-西南方)移뀊動。
故若無外力引導氣流,即在均勻流場或平衡流場(如二高之間)中,往北內力顯著,向西
內力很小,颱風將來回擺動,成蛇行路徑。
d. 渦旋內部動量變化產生的內力N
此一因子比較複雜,不易確定,一般不予計算和討論。
總之,影響颱風移動的因子有二類: 第一類是內力, 因地球自轉偏向力而引導。颱風
內部對稱流場使颱風往北偏西方向移動; 不對稱流場使颱風往最大風速的去向移動。颱風
作為一個整體受偏向力作用, 可作慣性圓運動、停滯、打轉、蛇行擺動等。一般來說內力
較小, 變化不大。
第二類是外力, 受大型環境流場外力引導而移動, 因而受行星-天氣尺度環流和系統
的變化影響。當外力強而穩定時, 颱風一般取正常路徑移動; ;當外力作用弱, 內力相對較
強時, 或外力變化快而複雜時, 颱風常出現複雜的異常路徑。
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