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高達 200 公尺的「浮動式風力發電機」,如何成為降低建置成本、提升乾淨能源發電效率的新解方?

112/10/30 瀏覽次數 3948
圖一:在臺灣海峽深海中,未來將有機會出現更巨大且建置成本相對較低、對陸地生態與噪音影響較小的浮動式風力發電機。(影像來源:國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系馬開東教授)

圖一:在臺灣海峽深海中,未來將有機會出現更巨大且建置成本相對較低、對陸地生態與噪音影響較小的浮動式風力發電機。(影像來源:國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系馬開東教授)

在高速公路上開車經過竹南地區的時候,在車窗外能看到奇特的景象,就是遠方「海面上」而非濱海公路的路旁,竟然豎立著好多大型風機!許多老一輩的人們看到這個景象會覺得不可思議,因為難以想像在海上竟然能夠建築如此巨大的風機,但是大家或許更難想像的是,幾年之後我們將看到更複雜的超大型風力發電機浮動在海面上。

在臺灣陸地最常見的就是發電瓦數 2 百萬瓦(MW)的風機,這些由臺灣電力公司所建立的風機為我們生產乾淨的電力,每座風機的高度可達 100 公尺左右。幾十年前,我們都會驚嘆這樣的結構物,誰能預料到科技進展神速,這幾年安裝的風機發電瓦數已經達到 10MW,每座風機高度已達 200 公尺左右。然而更不可思議的是:目前 15MW 的風機已經設計完成,其高度將達到驚人的 300 公尺左右。

從淺水區邁向風能潛勢更佳的深水區

離岸風電為臺灣再生能源發展重要指標之一,根據國際工程顧問公司的統計,全球風速排名前 20 位中,其中 16 個海上風電場址皆在臺灣海峽。因此雖然臺灣海峽沒有石油,但是它的風力資源也是如石油一樣寶貴,如此豐富的資源條件更提供臺灣發展風力發電的先天優勢。從 2016 年開始,國內離岸風電產業在國家支持的示範計畫中逐漸成形,固定式的風機一支接一支在海上慢慢建立,風機的裝置容量也從 4MW 逐步發展到 10MW,並透過更新的科技與技術,讓每支風機能夠捕獲更多的風能。然而隨著國際趨勢對於淨零碳排的要求,使得再生能源需求日益提高,卻也很快造成固定式基礎的淺水場址趨於飽和,所以目標場址漸漸往水深更深、風能潛勢更優質的深水場域開發。

在臺灣風能潛勢較佳的目標場址中,多數坐落於新竹、苗栗及澎湖外海,這些優質場址的水深大多在 50 至 100 公尺之間,然而深水區的開發有高度的技術困難,因為固定式基礎如果要進入深水區,那麼套管架的結構所需鋼量增多,開發成本也較高,而且對於碼頭基礎設施以及施工船隻的條件也更為嚴苛及受限。相較之下,浮動式基礎有鋼材使用量穩定的優勢,以及在碼頭岸邊就能整體安裝的方便性,使其有與固定式風機競價的空間。

當浮動式風機成為深水區效益較佳的選擇

浮動式風機在水深大於 65 公尺的海域,和固定式風機相比會開始出現成本優勢。在水深越深的情況下,固定式風機必須採用極為巨大的基樁,插入海床之中作為基礎,並且放上複雜的 套管式結構。如此一來,固定式風機在海平面下的結構非常昂貴,還必須租用價格高昂的安裝船才能在海上施工,造成固定式風機的水下基礎不合乎成本效益的情形,因此工業界便開始採用浮動式平臺的概念,用來支撐高達 200 多公尺的風機。

「浮動式風機」顧名思義就是將風力發電機置於一座浮動式平臺上,浮動式平臺的概念設計則是由石油產業發展而來。憑藉石油產業 50 多年來在海上產油平臺的成功經驗,不僅證明浮動式風機技術可行性極高,也證實浮動式結構在深海地區的長期可用性。近兩三年以來,葡萄牙、蘇格蘭及挪威相繼成功建立小規模的浮動式風場,再次印證浮動式風場技術趨向成熟,同時世界各工業國家與臺灣,都正努力進行浮動式風機的相關研究和設計。

圖二:浮動式風機使用繫泊系統讓平臺維持在海上的固定位置。(影像來源:國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系馬開東教授)

圖二:浮動式風機使用繫泊系統讓平臺維持在海上的固定位置。(影像來源:國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系馬開東教授)

科技的進步讓我們能捕獲更多乾淨能源

浮動式風機是由繫泊系統將浮動式平臺錨定於海上,使上面的風機可以做得更大,因此能夠 捕獲較陸域更加豐富的風力資源。浮動式風機通常在位於離岸數十公里遠的深水區域安裝,因為距離城鎮居民較遠,讓風機運轉產生的低頻率噪音不再成為擾民的顧慮,而且對於陸地生態的影響幾乎為零,所以風機規模也能持續增大。風機大型化有許多好處,比如當風機葉片尺寸達兩倍長時,產出的能源即可多達四倍以上,甚至有研究報告估計能源產出量可增加至十倍,具有極為優良的發電效率,也因此造就風機大型化成為全世界風電工業的趨勢。希望臺灣在不久的將來,也能夠憑自己的工業實力來建置浮動式風場,提供更乾淨的能源,造福更多人民。

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