離岸型風力發電介紹與浮體式風機介紹

1970 年代麻州大學的 Heronemus 教授提出浮體式風機的概念[2]，但當時再生 能源尚未有發展之急迫性，因此風力發電技術尚未成熟，故此概念不受重視。直 到 1990 年，爆發第三次石油危機，歐洲各國企業投入風機產業，使風力發電開始 蓬勃發展，技術亦逐漸成熟，因此離岸風電之概念再度被提起。1990 年”World Wind”

公司建立了第一座離岸式風機，該風機位於瑞典北方離岸 250m、水深 7m 之海域；

隔年，位於丹麥的 Vindeby 離岸風場正式完工，共裝置 11 座 0.45MW 發電量之風 機，總裝置發電量為 4.95MW[3]。

圖 1-4 丹麥 Vindeby 離岸風場[4]

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隨後歐洲各國陸續訂定相關發展計畫，離岸風力發電開始快速發展，並且推 廣至世界各地，根據國際能源署(International Energy Agency, IEA)評估，未來 40 年離岸風力發電將呈現大幅成長，如圖 1-5 所示。

圖 1-5 未來 40 年風力發電裝置容量預測[5]

由於離岸風電有別於以往陸上風機，並且擁有下面幾個特點：

(1) 陸上風能易受周遭建築物與地形影響，海上則無，因此風能更為穩定。

(2) 海域廣闊，能開發較大型的風場。

由於上述之優點，各國紛紛開始建置離岸型風場。而離岸型風機體需搭配平 台，平台的基礎型式依水深可分成下面三類：

(1) 淺水區域(Shallow water)基礎。

(2) 過渡區域(Transition water)基礎。

(3) 深水區域(Deep water)基礎。

其中淺水區域適用之水深約為 0m~50m，基礎型式有兩種：重力式(Gravity Base) 與單樁式(Monopile)。單樁式基礎以打樁方式將風機固定於海床上，故建置時須與 海事工程進行搭配，而重力式則利用自身之重量將之進行故定，淺水域型式如圖 1-6 所示。

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單樁式基礎其缺點為基礎打入海床後，由於海流流經基樁時於基樁後方會產 生渦流，因此易產生流砂進而掏空基座之打樁深度，故須在海床之外圍鋪砂石以 減輕掏空之情況。而重力式基礎之缺點為易受海床成分的影響，並且對波浪方向 性相當敏感。

圖 1-6 淺水區域之基礎型式[6]

過渡水域適用之水深約為 30m~100m，型式如圖 1-7 所示，左圖為三角架型式 (Tripod)，右圖為多管式(Jacket)。

圖 1-7 過渡水域基礎應用型式(左為三腳架，右為套管式)[7]

設計多管式基礎時，必須考慮其自然頻率問題，由於容易受到碎波的影響，

故須將自然頻率設計至較低頻之區域，但其基礎於海床上較不需考慮流砂的問 題。

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表 1-1 淺水區域與過渡區域基礎型式比較

Type Typical water depth Typical Size Typical Weight Gravity ~20m  30m 1000~5000t Monopile ~35m  4~5m 600~700t

Tripod ~50m ~35x60m 1000t

Jacket ~60m ~25x60m 700~900t

深水區域適用於超過 60m 之深水域，應用的基礎型式為浮體平台並使用錨鍊 系統固定浮體式風機之運動範圍，如圖 1-8 所示。共分四類：Semisubmersible 型、

Barge 型、Spar 型與 Tension-leg platform(TLP)型。圖中兩種 Spar 型的差異在於錨 鍊系統型式，一為張錨式(右一)，另一為懸垂式(左三)。

圖 1-8 深水區域浮體平台型式[6]

目前各國致力於離岸風場之開發，但由於海岸線有限，因此淺水與近岸區域 已逐漸開發完成，故近年來離岸風場的發展趨勢為離岸漸遠、水域較深之區域擴 展，圖 1-9 為歐洲風能協會(European Wind Energy Association, EWEA)統計至 2012 年離岸風場之離岸距離與水深分佈，藍色為已建置完成，紅色為建造中，綠色為 審批中之項目。從審批中的項目分佈來看，可知離岸風場之開發區域之水深和離 岸距離正逐漸增加。

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圖 1-9 離岸風場之離岸距離與水深分佈[8]

浮體式風機是由兩個部分組成，第一部分為與傳統固定式風力機主體相同，

包括轉子葉片(Rotor)、輪轂(Hub)、機艙(Nacelle)以及塔柱(Tower)，第二部分是浮 體平台，用於提供浮力以支撐風力機，另外搭配適當的錨鍊系統用於固定風力機，

避 免風 機 受潮水 作 用 漂 走。 美國國家 能源實驗 室 (National Renewable Energy Laboratory ,NREL)根據使浮體風機達成穩定之策略以及錨鍊系統分為三類[9]，如 圖 1-10 所示。

圖 1-10 浮體式風機穩定型式示意圖[9]

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圖 1-10 由左至右分別為壓載平衡式(Ballast Stabilized)、繫纜線平衡式(Mooring Line Stabilized)以及浮力平衡式(Buoyancy Stabilized)，下面將針對此三種平衡模式 進行說明：

(1) 壓載平衡式(Ballast Stabilized)：此平衡方式為利用壓載使重心降低至浮心以下 的位置，以產生較大之扶正力臂與慣性回復力，因其幾何較為細長因此可得 較高之慣性矩以減少縱搖與橫搖運動的幅度，並利用懸垂式錨鍊(catenary)加 以固定系統，Spar 型浮體式風機為此種型式。

(2) 繫纜線平衡式(Mooring Line Stabilized)：此種方式之錨鍊系統是垂直固定於海 床上以平衡浮體平台，並利用較高張力的錨鍊加以固定。Tension Leg platform (TLP)為此種系統，目前大型海上鑽油平台多也使用此種型式。

(3) 浮力平衡式(Buoyancy Stabilized)：平衡方式為利用較大的水線面積與平均分 佈之浮力以產生扶正力矩，再使用懸垂式錨鍊固定結構物。Barge 型浮體平台 具代表性，Semisubmersible 型也類似此種型式。

一般而言，設計浮體平台時均考量到浮力、錨鍊、壓載三種模式，但各模式 所佔比例不同，因此產生不同型式的浮體平台，策略分析如圖 1-11 所示。

圖 1-11 浮體平台穩定策略分析圖[9]