【人物專訪】洋流發電與水下機器人的交響曲——專訪郭振華教授

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6/15(六)14:00郭振華教授主講:「黑潮洋流發電」

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採訪、撰文|何郁庭

審訂|郭振華 教授

臺灣大學工程科學及海洋工程學系 郭振華 教授|來源:講師提供

世界上可發展洋流發電的國家並不多,東側緊鄰黑潮的臺灣,正擁有這項得天獨厚的優勢。隨再生能源與淨零碳排議題興起,利用黑潮發電的構想與施行方案,愈加受到國內學界與產業界的重視。國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系(下稱工科海洋系)郭振華教授,在學時便對海洋能源和水下載具擁有極大興趣,回臺任教後,更致力於水下載具的開發,這些成果,正好回頭協助黑潮洋流發電機計畫的進行。在郭振華分享黑潮洋流發電講座前,將預先介紹功能多元、外觀各異的水下載具,並說明這些機器人如何協助黑潮洋流發電機的布放和監測。

 

兼具機械工程與海洋特性的應用學門

訪談的一開始,郭振華便說海洋工程是強調實際應用的科學,臺大的工科海洋系最初由機械工程系分出來,並於1976年成立造船工程學系,歷經二次更名,成為今日的系所名稱。因為場域在海洋,所以除了機械工程需要的力學設計、電子電機、運籌技術外,還需要對海洋、氣象有深切的理解和認知,是機械工程中相當特殊的領域。

比起陸地上的機械,放到海中的軟硬體設備有更多要克服技術難題,首先得抵抗深海的高壓、海水腐蝕、生物附著,再者還要考慮設備的續航力、被海水削弱的電磁波訊號。即便在設計上預先考量以上因素,當機器人實際布放下水後,礙於物理上的距離,研究者無法時時檢查與維護,倘若運作不正常,也無法及時處理。

「在水裡面,載具沒有辦法經常維護,比如漏水,或者是沒有辦法散熱的溫度問題,是眼睛看不到的。」郭振華如此補充。

儘管水下機器人在惡劣的環境中執行工作,對設備有較高的要求,但郭振華也說,海中的生物有各自的領域,有些適合在水面、有些適合在中間的水層,有些則適合在水底活動,不同的生物各自發展不同的身體能力,水下機器人同樣如此。因此,研究團隊會根據水下機器人執行工作的位置與任務,專門設計特別的功能,讓它們在各種類別的崗位「如魚得水」。

 

海洋監測、挖纜線、攝影機,水下機器人超豐富

郭振華所帶領的水下載具研究團隊,著重的發展方向,即是水下仿生機器人的設計,以及水下載具的導航、編隊控制。相比於堅硬外殼和螺旋槳推進的水下機器人,利用鰭片和身體擺動,恍若真實魚隻游動的機器人,在水層中間、珊瑚礁等地形反而更有靈活性和優勢,可以在很短的距離和時間內進行轉彎、加速度、衝鋒等行為。

近二十年的研究中,團隊陸陸續續發展出不同的仿生功能設計,不但從烏龜的游泳特性取經,也嘗試瞭解魚群如何在不靠眼睛、通訊的情形下,讓魚隻互相定位,跟隨群體一起游動的能力。呼應郭振華提及水下載具在電力供應上的限制,他的團隊亦開發貼在海底移動,像比目魚的機器人,設法利用海底地形提高機器人運動時的升力,減省能量消耗;當機器人在海底完成工作後,再移動到海底的充電平台上充電,讓比目魚機器人能夠一直留在海中。

郭振華認為,黑潮洋流發電機也是水下機器人載體,最大的差異在於,其他機器人是耗費電力執行工作,而洋流發電機進入海中最大的任務就是發電。在布放洋流發電機前,團隊首先以海洋研究船和水下載具進行海底地質、水文探測,確認地點後,派出另一組水下機器人在海底噴埋海底電纜至海岸。事前準備工作完成後,將黏著錨碇的發電機以船隻載至布放地點拋下;完成布放後,再派水下機器人進海中拍照,確認發電機運作情形,完成整輪作業。

 

黑潮洋流發電機計畫再啟動

郭振華與黑潮洋流發電機的關係,源於2014年開始的第二期能源國家型科技計畫 (NEP-II),當時科技部(現國科會)為結合國內產學研進行發展再生能源及減碳技術,郭振華與同系老師共同爭取到經費,並製作出800 W浮游式黑潮發電渦輪機模型機組,然兩年計畫結束後,發電機的開發也隨計畫結束而停擺。

不過,隨2018年中華民國海洋委員會成立,能源轉型議題也受到更多專注後,海委會下的國家海洋研究院看見洋流再生能源的可能性,遂串聯萬機鋼鐵工業股份有限公司、國立中山大學海洋環境工程學系與臺大工科海洋系,發展規模更大,發電量更大的洋流發電機組。其後,中央研究院在投入臺灣關鍵發展的項目中,也選中海洋能源、黑潮發電的領域,積極投入海洋能發電技術。

儘管臺灣的各類再生能源技術發展上,洋流發電並不是討論度最高、最熱門的能源類別,但放眼國際,能發展洋流技術的國家並不多,除了美國東南方的墨西哥灣流外,就屬黑潮旁的臺灣與日本,因此洋流發電的技術,大多仰賴國內自主研發的技術。目前,臺灣已完成20 kW浮游式洋流發電機測試,這些階段性的目標,將在未來開創新興的黑潮能源產業。

對水下機器人的瞭解與掌握度,讓郭振華在參與黑潮洋流發電機的研發上,擁有額外的優勢。不同的水面及水下載具在海中分工合作,協力完成大規模的實驗,需要縝密的思考與規劃。然而,除了經驗與知識外,對仿生機器人的熱情,與持續學術研究的毅力,同樣不可或缺。

 


延伸資訊

  1. 洋流能發電專區|國家海洋研究院
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