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內太空的衛星:水下環境監控系統

文/劉珈均

喇叭形狀的台灣海峽,讓台灣西部沿海具有良好離岸風場[註],深具離岸風力發電發展潛力,不過要建置離岸風機,海上工程需要完善的海洋環境監控儀器,即時掌握海象水文變化。船舶與海洋產業研發中心因應離岸風機產業需求,開發水下監控系統,預計明年裝設在第一座海氣象觀測塔。

此技術是因應經濟部能源局推動「千架風機計畫」中的離岸風機建設而研發,該計畫預計在2030年前建置600架離岸風機。經濟部規定,每座離岸風場必須設置一座海氣象觀測塔,塔上測量風速、風向、氣溫、氣壓、溼度、降雨等項目;水面下則測量海流流速、流向、波浪波高、週期、波向、水溫、鹽度、密度等。蒐集海底水文資料就是「水下環境監控系統」的重責大任,如同衛星設置在外太空中觀測環境變化,此系統設置在「內太空」的海洋裡,探測海洋環境供海上工程或研究用。

海氣象觀測塔模型。玻璃殼相當於水面,塔柱底部的白色掩體內部即為水下監控系統,含水下連接器與各式水下儀器。

海氣象觀測塔模型。玻璃殼相當於水面,塔柱底部的白色掩體內部即為水下監控系統,含水下連接器與各式水下儀器。

如何把尋常系統設備搬到水底如常運作,正是考驗研發團隊之處。計畫領導人、海洋產業處專案經理湛翔智博士說,團隊的技術重點在於整合系統,設計了水下連接器,連接器固定在海床上,為觀測塔和水下儀器的節點,負責對海洋儀器供電、將儀器數據資料傳輸至觀測塔(或從塔上傳輸指令控制儀器)。以往每組海洋儀器都得佈設一條水下纜線傳輸資料,可能因此受限水下測量項目,水下連接器整合了各種儀器的通訊格式,為了遠距且穩定傳輸大量資料,團隊採用光纖電纜與光電轉換器,將儀器電的訊號轉換為光纖訊號,一條光纖電纜就能傳輸所有海洋儀器的資訊,隨時傳輸資料到塔上。

計畫主持人、海洋產業處專案經理湛翔智博士。

計畫主持人、海洋產業處專案經理湛翔智博士。

因為海水阻隔、水壓問題,海洋探測相當困難,我們對於海洋的知識不如對太空的多。拓展其他海洋探測應用是湛翔智對此技術未來藍圖的期許:「我們所用的光纖訊號線可以不經過中繼放大到達100公里,我們做這些技術研發的同時也是為了將來台灣可能會需要更多水下環境監控系統,佈放在幾十公里的外海。」

潛水夫難以到達超過水下50公尺深之處,若以水下連接器為節點,多布置幾座,便能形成水下觀測站的網絡、擴充觀測範圍。氣象局測量海象或地震;環保單位以此測量水下噪音;海軍或港灣公司也能用此系統監控水域環境;水下監控系統搭配水下機器人,在水下幾百公尺的深海處監測深層水管線、探測海底地質、礦物等海洋資源也是此系統潛在的應用可能。

水下連接器示意圖

35_01代表照

置於水槽中的水下連接器實體(左邊黑色圓筒)。

水下複合光纖纜線接頭。

水下複合光纖纜線接頭。

相較於陸域風力發電已發展了十年,離岸風機因為成本比陸域風機成本高了兩倍以上、尚未掌握技術等原因,還處在規劃階段。目前台灣有三個離岸風力發電計畫:海洋風力發電公司的「竹南離岸式風力發電計畫」、福海風力發電公司的「福海離岸風力發電計畫」、台電的「台電離岸風力發電計畫」。

前兩者去年通過環評,預計明後年分別在竹南與芳苑外海設置海氣象觀測塔與示範機組;台電為首個官方計畫,地點緊鄰福海的風場,今年九月剛初審第一期計畫。福海公司預計明年完工第一座海氣象觀測塔,而第一套的水下連接器就裝設在離岸八公里、水深20公尺的海氣象觀測塔下。

水下環境監控系統研發團隊。

水下環境監控系統研發團隊。

  • 註:國際風力發電顧問公司4C Offshore根據美國太空總署六個衛星累積的氣象資料,比較十年(2000~2009)各國風場的平均風速,台灣西部沿海在前20名排行中就占了15個,集中在苗栗至彰化一帶;工研院2011年評估,台灣海域50公尺水深範圍內,離岸風力發電潛能約達6.2 GW。

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