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海上巨型風扇的支撐者——水下結構

風機系統及水下結構整體為客製化的產品,如何安全、可靠且穩定地舉起這些海上的巨型風扇,需要因地制宜考量離岸風場本土的環境條件。例如颱風、地震的特殊狀況,就是我國水下結構與基礎工程人員須面臨的挑戰。
 
 
隨著不同水深變化適用的海上風機水下結構型式(圖/美國國家再生能源實驗室)
▲隨著不同水深變化適用的海上風機水下結構型式(圖/美國國家再生能源實驗室)
 
離岸風場開發的趨勢
 
隨著全球平均溫度逐年上升,生物圈受到氣候暖化的影響,導致生態改變與氣候變遷,暖化的議題陸續在各國發酵。然而,隨著全球能源需求持續增加,如何兼顧經濟發展與生態永續是目前面臨的重大抉擇。
 
2015年12月12日聯合國氣候高峰會通過了巴黎氣候協定,取代1997年的京都議定書,希望各國能共同遏阻全球暖化的趨勢,這協定的目標是控制地球平均溫度的上升在攝氏2度以內。因此為有效降低碳排放量,各國都積極投入發展再生能源,把能源供需從原本的燃煤、石油、天然氣、核能等,逐漸以永續的再生能源取代。 
 
在2000年之前,地熱能源是最主要的再生能源,但隨著科技的進步,目前最熱門的兩大再生能源是「太陽能」和「風能」。其中尤以風力發電最具潛力,成為清潔、穩健和多元化的能源組合中重要的選項。 
 
近年來為了更有效率地應用風能並避免產生對環境視覺的衝擊,風力發電機的設置已逐漸由陸上推向離岸海域。另一有趣的理由是因為世界上多數人口聚集,工商繁忙的都市大都位於海港,如倫敦、紐約、上海等,其電力需求頗大。1991年,丹麥設置了第一座離岸風場,稱為Vindeby離岸風場,是世界上最早設置的現代化離岸風場。它位於波羅地海的海灣,水深淺且波浪影響小,又位於所謂的地球西風帶,具備非常好的離岸風電開發地理條件。
 
Vindeby離岸風場當時的工程費用總計約1,000萬歐元,自1991年開始營運,歷經25年的運轉發電,在2017年正式除役。Vindeby離岸風場的成功運轉,對歐洲甚至世界上後來的離岸風場開發以及離岸風電技術的發展,都產生非常重要的影響。
 
過去幾年來,離岸風電市場蓬勃發展,每年的複合年成長率都超過15%以上。隨著離岸風力科技的創新與進步,目前世界運轉中最大的離岸風場是英國倫敦鄰近泰晤士河口,總裝置容量達630百萬瓦特(MW)的London Array離岸風場,其次依序是荷蘭總裝置容量600 MW的Gemini離岸風場,以及德國總裝置容量582 MW的Gode離岸風場。
 
截至2017年底,全球離岸風力發電總裝置容量累計已達18,000 MW以上,其中近85%(約15,780 MW)設置於11個鄰近北海及波羅地海的歐洲國家。歐洲不僅是離岸風電的發源地,也是主要的離岸風電開發區域。其餘的15%則散布於中國、越南、日本、韓國、美國、台灣等。
 
國內離岸風場潛力場址區塊分布位置。(資料來源/經濟部能源局)
▲國內離岸風場潛力場址區塊分布位置。(資料來源/經濟部能源局)
 
台灣離岸風場的現況與發展
 
台灣西部沿海地區的風力強勁,特別是冬季期間的東北季風尤為明顯。依據經濟部能源局委託工業技術研究院進行的台灣地區風力潛能分布模擬,國內西部離岸風場場址宜設置在海平面以上80公尺高的位置,其年平均風速可達8 m∕s以上,風能密度更達1,000 W∕m2 以上,顯示我國西部離岸海域蘊含相當豐富的風能資源。
 
目前台灣西部離岸潛勢風能區塊可開發面積總計約16,500 平方公里,由北至南分布於新北、桃園、新竹、苗栗、台中、彰化、雲林、澎湖離島等離岸海域。然而,這風能評估的初步結果僅標出具有開發潛力的場址,但實際可開發範圍仍需考量場址的海床、地質、環境影響等條件並進一步評估,才可進行離岸風場的規劃與開發。
 
政府為因應非核家園政策,加速國內離岸風電的開發,以落實能源多元化及自主化,依據經濟部能源局推動國內離岸風電的策略,先設離岸示範風場,再作風場潛力區塊規畫,而後離岸風電區塊開發,並已逐步落實且加速推動中。台灣第一座離岸風場是位於苗栗竹南的Formosa-I,兩部示範離岸風機發電容量共 8 MW,已在2017年 4 月順利併網運轉,開啟國內離岸風電的里程碑。
 
2018年4月底經濟部能源局遴選了10個離岸風場,總計可發電3,836 MW的開發計畫,且在6月底完成其餘1,664 MW離岸風場的競價開發計畫,2018年可謂國內離岸風電全面啟動重要的一年。未來國內離岸風場將主要位於桃園、彰化、雲林等離岸海域,預計在2025年規劃完成約5,700 MW總裝置容量,以達成國家離岸風電的目標。
 
常見的離岸風機固定式水下結構型式,以及離岸風機與支撐結構組成概念圖。
▲常見的離岸風機固定式水下結構型式,以及離岸風機與支撐結構組成概念圖。
 
百家爭鳴的水下結構型式
 
風機轉子機艙總成和塔架構成了所謂的風機系統。風機系統再透過連接段接合由其下的水下結構與深入海床的基礎作為支撐。此外,塔架、水下結構及基礎的組合也稱為支撐結構。風機轉子包括葉片及輪穀,機艙內部則有主軸及相關的軸承、轉動齒輪、轉向機構、發電機等。
 
離岸風機的水下結構與海上鑽油平台在結構上有幾分近似,事實上,離岸風機水下結構的技術主要也來自海上鑽油平台。只不過,離岸風機的龐然巨大與承受風力的動態作用力特別顯著,有別於鑽油平台承受的作用力多以海浪為主。
 
離岸風機的水下結構型式可分為固定式和漂浮式兩大類。其中前者的水下結構是目前最廣泛應用的型式,其技術較為成熟,成本也低,主要適用於水深50公尺以內的場址。反之,後者的水下結構依不同浮動載台及水下纜繩有不同的結構設計,目前技術尚不成熟,成本較高,主要應用於水深 50公尺以上的場域。
 
以下說明固定式水下結構。在目前離岸風場所採用的水下結構中,最廣泛使用的是單樁式,有高達80%以上的離岸風機使用。此外,還有套管式、重力式、三腳式以及其他型式。關於整體風機系統及支撐結構建置成本,如以單機容量5 MW的離岸風機在水深20~30公尺為例,其中水下結構占整體風機結構系統成本約33%,可見離岸風機固定式水下結構是風機系統整體建置成本的重要因素。但在眾多水下結構的選用時,尚需考量場址的水深、海床的地質條件、運輸、施工、製造等因素。
 
單樁式─單樁水下結構是一大口徑鋼管樁,以 5 MW風機系統為例,樁徑約為 6公尺。風機塔架藉由法蘭(flange)或灌漿接合與單樁水下結構銜接,並傳遞風機系統承受的載重至所承載的海床基礎。歐洲離岸風場大多採用這種水下結構,且多應用於水深小於20公尺及海床地質良好的海域。
 
套管式─套管式水下結構是由鋼管焊接所組成的構架系統,主要由四支弦桿,另以繫桿互相接合而成。套管式水下結構上方連接工作平台與連接段,並以法蘭或灌漿接合與塔架連接,水下結構底端則藉由套管與所打入海床的基樁連接。套管式水下結構相較於單樁,雖然成本較高,但具備較大的剛度,是未來國內離岸風場預定選用的水下結構主要的型式之一,多應用於20~40公尺的水深範圍。
 
重力式─重力式基礎是一巨大的混凝土結構體,類似橋梁的橋墩,作為基礎承受風機系統的風、波浪、海流等動態作用力,具備低成本,工藝成熟、岸上施工等優勢。不過過大的混凝土總體重量及體積,對於海床可能造成衝擊是它的缺點。在離岸風機的重力式基礎,主要使用混凝土或填砂於基礎底部,並藉其重力抵抗可能的滑動與傾倒。1991年世界上第一座現代化離岸風場 Vindeby 離岸風場,就是採用重力式基礎的離岸風場。
 
採用傳統重力式基礎的離岸風場,水深多介於3~10 公尺的淺水海域及較佳的海床條件,如波羅地海海域。然而,近年來重力式基礎在技術上已有些改進。例如,最新的應用可以是大口徑的圓筒鋼管結合混凝土沉箱,稱為複合式重力式基礎,主要是結合單樁及重力式基礎形成新的水下結構型式。2017年英國離岸示範風場Blyth就採用了MHI Vestas V164 8.3 MW風機並結合複合式重力式基礎,預計建置41.5 MW的總裝置容量。 
 
三腳式─三腳式水下結構主要由3支繫桿連接一大口徑的垂直鋼管,該垂直鋼管與塔架以法蘭或灌漿接合連接,繫桿與大口徑垂直鋼管需進行大範圍焊接,水下斜撐則藉由套管與所打入海床的基樁連接。適用水深範圍與套管式相似,多應用於水深20~40公尺的海域。
 
設計概念 離岸風機結合風機系統與水下結構,涵蓋技術領域廣泛,包括機械、土木、電機、海洋甚至地質等專業的工程領域。風機系統主要由風機製造廠家依國際設計標準不同的風況等級,有不同的風機系統的設計製造。而離岸風機系統結合水下結構,佇立於離岸風場場址則與場址的風、波浪、海流、海床土壤地質等條件息息相關,有完善的水下結構設計才能保障風機系統及整體離岸風機的安全運轉。
 
一般而言,負責水下結構設計的工程公司與風機系統廠家不同,但水下結構的設計必須與風機系統廠家充分配合,並考量重要的風機系統及水下結構於各種載重條件的作用力,才能進行水下結構設計。離岸風機整個設計年限約為20~25年,猶如人類的生命周期般,在離岸風機的一生中,受到許許多多不同設計載重作用的影響,特別是設置在海上的離岸風機整體結構,需面對比陸域風機更嚴苛的環境條件,如更強的風速及較低紊流,以及波浪與海流對水下結構的衝擊,甚至極端環境條件如颱風及地震的影響都必須考慮。
 
離岸風機及複合重力式基礎受到的外力載重(風、波浪、海流、地震、颱風等)。
▲離岸風機及複合重力式基礎受到的外力載重(風、波浪、海流、地震、颱風等)。
 
台灣位於太平洋亞熱帶,熱帶洋面上容易生成颱風,每年平均侵台的颱風有3~4個。此外,台灣位在歐亞板塊與菲律賓板塊的交界處,地震頻仍。因此,國內在開發離岸風場時,對於離岸風機系統及水下結構整體承受如颱風、地震等極端環境條件的設計更加重視。 
 
過去離岸風電主要的開發都在歐洲的波羅地海及北海海域,且已累積相當多的技術經驗,無論是設計、運輸、施工、營運、維護等,都居於世界領先的地位。然而,對於颱風及地震,歐洲的離岸風場卻沒有足夠的經驗。但對離岸風機系統及水下結構的設計,國際設計標準則已逐漸成熟。
 
基本振動周期——風機系統的心跳 心跳或脈搏是人類的身體特徵,不同的人於不同的狀況會有不同的心跳次數。同樣地,風機也有心跳,稱為風機的基本自然振動周期。一般而言,可用單擺來回一次所需要的時間來解釋周期。
 
風機除了本身有自己的周期外,自然環境下的風、海流、波浪也有自己特有的振動周期。當兩者的周期很相近或甚至吻合時,就會產生所謂的共振現象,就好比兩個頻率相近的人,一旦相遇時其互動會相當熱絡。然而,在風機的設計上,須避免這種共振的發生,因為共振會引起巨大的動態反應,可能衝擊到風機系統與水下結構的長期運轉安全。為避免共振造成結構系統受作用力反應放大的效應,離岸風機整體結構的基本振動周期須落於風機製造廠商所律定的周期範圍內,這個範圍是風機轉子轉動頻率及葉片通過頻率之間。
 
極限載重狀況 極限載重狀況是指離岸風機系統及水下結構必須於所考量的承載最大載重條件作用下不會發生結構崩塌,以符合極限載重設計原則。另外,針對台灣位於亞熱帶,需進一步考慮颱風、地震等極端環境條件的特殊地理環境,以確保設計運轉期間的20~25年中,可安全承受所有運轉模式所造成極端載重的可能損害。
 
疲勞載重狀況 什麼是機械疲勞?就是指材料承受連續變化的應力而造成材料逐漸破壞的過程。舉例來說,把鐵絲不斷地前後彎曲擺動,大約重複這個動作數十次以上,鐵絲就會彎曲甚至斷裂,這就是材料受到機械作用力的疲勞損傷。疲勞問題是離岸風機水下結構設計考量的重要因素之一,水下結構多由鋼管組成,鋼管之間的連結經由焊接完成,焊道鄰近位置經常會產生很大的熱點應力,特別在弦桿與繫桿相接的節點,會有明顯的局部應力集中情形。
 
在來回變動的風力、波浪、海流等隨機環境載重聯合作用下,水下結構會不斷地受力彎曲,而在各個桿件連接的節點上,是疲勞抵抗能力最薄弱的位置,可能在材料表面產生疲勞裂紋。隨著環境載重持續的施加,這些微小裂紋會形成較大的裂縫和延伸,而當裂縫成長到一定程度時,就發生疲勞損壞了。
 
〈詩經.小雅.鶴鳴〉:「他山之石,可以攻錯。」對於歐洲先進國家離岸風場規劃開發與運轉維護的經驗,可作為國內離岸風場開發的參考。然而,風機系統及水下結構整體為客製化的產品,如何安全、可靠且穩定地舉起這些海上的巨型風扇,需要因地制宜考量台灣離岸風場本土的環境條件,包含海氣象、土壤、地質、海域特性等。特別是極端環境(如颱風及地震)的特殊狀況,更是我國水下結構與基礎設計工程人員所面臨的挑戰。離岸風機水下結構規畫設計涵蓋不同技術領域,須由相關專業及產業多方討論、磨合才能臻於至善。
 
 
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