• 台灣再生能源推動聯盟 TRENA

離岸風力機的雙腳,水下基礎技術初探

更新日期:2019年7月9日

撰文者:綠能科技產業推動中心技術發展組 林曉琪副研究員


在去年底經濟部工業局如期完成離岸風力本土化產業關聯的審查後,開發商已開展各自的風電專案,而無需滿足在地採購的示範場或前期風場,則開始下訂單及運送風力機組件,例如海洋風電示範風場,第二階段所購置的葉片與塔架已於今年四月陸續抵台,目前正在台中港組裝,力拼年底完工。


  離岸風場主要是由離岸風力機、水下基礎、離岸變電站、海底電纜、陸域電纜以及陸域變電站等硬體構成;離岸風場所產生的電力將透過離岸變電站收集且升壓後,經由海底電纜傳輸至陸域電纜,最後併聯至台電的電力系統。


  離岸風力機可視同風場核心,若將風場核心對比於人體的構造,塔架等同於風力機的脊椎,為風力機提供支撐力量,葉片等同於風力機的手臂,帶動空氣形成風能,風力機艙則是風力機的腦,不僅將擷取的風能有效的轉化為電能,在風速過快時,可透過指令,使葉片暫時停止運轉,來保護風力機,不論是頭腦、脊椎或手臂,都需要依賴雙腳的力量,才能使風力機穩固站立海中,而這風力機的雙腳,則是水下基礎。


風機的雙腳,不同場址會有不同樣貌

  台灣與歐洲的環境條件不同,歐洲風場在冬日極為寒冷時雖然會面臨葉片結凍造成無法轉動,但歐洲風場風況穩定、且地貌平坦,因此風場施工需要因應的技術問題較小,而台灣不只有颱風與地震的威脅,地貌條件亦與歐洲有所差異;在台灣的西部海域多為砂土與黏土層,容易受海流沖刷侵蝕,這在風場的設計階段,就必須考慮及選擇哪一種水下基礎,可最穩穩地打入地質;換言之,可將水下基礎看作是房子的地基,地基夠穩固才能承載整座風力機的負重。

  

依據國際目前風場開發的經驗,可將水下基礎分為四種型式,包含單樁式(Monopile)、套管式(Jacket)、三腳式(Tripod)與重力式(Gravity)。

  

單樁式,顧名思義,就是單一獨立的基礎,適合淺水、海床條件為礫石、砂土或黏土的海域,由於結構簡單,製造容易,因此較小的風場安裝單樁式水下基礎可縮短施工時程,大規模的風場單樁式水下基礎也降低開發成本,有名的例子則是目前全球風場規模最二大的英國London Array風場﹝註1﹞。

  相對於單樁式水下基礎,套管式水下基礎結構較為複雜,為層層堆砌的鋼構桁架系統,這是因應風量較大或可能產生暴風的風場而生的設計,南韓首批具商業規模的Tamra風場即是採用套管式水下基礎﹝註2﹞。


  在海流更強、更容易產生劇烈氣候的風場,例如海水可能結冰的風場,三腳式水下基礎較套管式來的適用,因其結構又比套管式水下基礎再複雜一些,但結構複雜意味製造成本偏高,國際上使用尚不普遍,德國首座離岸示範風場Alpha Ventus即為少數採用三腳式水下基礎者[註3]。


  另一種亦不常見的水下基礎型態是重力式,重力式水下基礎由於不需打樁,成本較低,海上施工時間亦較短,但因是利用混凝土的重量對抗水壓,在地質堅硬且平坦的海域較不會有施工疑慮,已於除役的丹麥Vindeby 風場即採用此一型式。[註4]

圖:水下基礎示意圖,由左而右分別為單樁式、三腳式、套管式與重力式

資料來源:https://www.theengineer.co.uk/



取得國際認證,確保施工的品質與安全

  與水下基礎技術最直接相關的產業包含鋼板及鋼管製造業、鋼構製造加工業與扣件業等,其中囊括如吊裝、電焊、氣焊的從業人員,而這類產業因施工過程常伴隨強光或火花,因此不論是施工環境或是從業人員的安全,均需符合特定規範。


  從業人員的安全需藉由健全施工環境的安全方能獲得保障,就施工環境而言,從事鋼構產業的工廠,需取得由國際標準化組織(International Organization for Standardization, ISO)制定的標準,如ISO 9001,明確列出業者應建立的品質管理原則、流程及業者應具備的責任,而業者建立的系統或程序是否完善,通過第三方驗證單位的檢核後,才能獲得相關證書。


  獲得ISO相關證書僅能視為獲得可從事水下基礎製造的門票,水下基礎涉及高強度鋼的焊接作業,尤其以套管式的鋼件結構更為複雜,不僅從業人員需取得焊工資格的證書,尚須累積一定次數的操作經驗,才可投入水下基礎的製造。水下基礎需要承載整座風力機的負重,對於焊工的工藝要求也就特別嚴謹,因此有關焊接的材料、焊接設備的管理、焊接人員的資格,另需符合如ISO 3834標準的要求,換言之,ISO 3834可視為焊接版的ISO 9001,符合ISO 3834,才能確保焊接工藝及品質。


圖、ISO 3834證書示意圖

資料來源:TÜV SÜD提供


拓展綠海,協助產業升級或轉型

  鋼鐵產業可謂傳統產業中的代表之一,因屬勞力密集又須經過大量的製造加工,才能成為金屬製品或被運輸設備、基礎建設所用,而台灣過去幾年鋼鐵業均以外銷為主,但紅色供應鏈的崛起,也使得國際市場的競爭更加激烈,台灣廠商必須積極開發其他方案,以降低未來可能面臨削價競爭的疑慮。


離岸風電作為台灣發展綠色能源重點項目之一,除了落實2025年5.5 GW的裝置容量目標以外,亦承載著建構本土產業供應鏈的期待,在開發商與具備實務經驗的國際廠商的輔導與合作下,促使國內鋼鐵產業廠商取得國際訂單,依照國內投入水下基礎製造業者的評估,至2025年的產線幾近滿載,水下基礎的製造實為台灣的鋼鐵產業開闢一條新的道路。


  進一步而言,固定式的水下基礎有適用的水深範圍,超過適用水深可能致使成本增加,且風力發電設置由近海朝向深海,亦為國際趨勢,有鑑於此,國際已出現浮動式載台的技術,以英國已併網的Hywind Scotland風場[註5]最為著名,鄰國日本也投入相關研究,隨著科技進步與政策支持,當下所認為的前瞻技術,未來都將有實現的可能,供應鏈的投入,不只活絡綠能市場,亦為下一階段的開發預做準備。



本文所提及之風場介紹

註1:

英國London Array風場位於泰唔士河外海11公里處,採用單樁式水下基礎,共安裝Siemens 3.6MW風力機175座,總裝置容量達630MW,於2013年4月商轉,風場規模原為全球第一大,直自2018年6月,其全球第一大的位置被英國Walney Extension風場所取代而退居第二。

註2:

南韓Tamra風場位於濟州島離岸0.5至1公里處,慮及海島臨風面積大,因此採用套管式水下基礎,共安裝斗山重工3MW風力機10座,總裝置容量30MW,於2017年9月商轉,為南韓首批具商業規模的風場。

註3:

  由於北海沿岸經德國聯邦政府劃為國家公園,亦為聯合國認證的自然文化遺產,故德國北海離岸20公里內無法蓋風場,而德國首座示範離岸風場Alpha Ventus位於Borkum北方約45公里處,海域已屬深水區,基礎的深度與結構都必須更加強化,因而採用三腳式水下基礎,共安裝Adwen 5MW風力機12座,總裝置容量60MW,於2010年4月併網。

註4:

  丹麥Vindeby風場是全球第一個建造的離岸風場,自1991年併聯商轉,總計安裝11支風機,總裝置容量達4.95MW,伴隨風力機越來越大,風力機技術亦成熟許多,而風場也達到當初設定的營運目標25年,在完成向世界證明離岸風力的可行後,風場已於2017年9月除役,除了原場址恢復至原貌以外,其中一座風力機放置丹麥能源博物館,而風力機的葉片將提供予丹麥科技大學(DTU)做為研究素材。

註5:

  英國Hywind Scotland風場是由挪威國家石油公司(Equinor)所推動的浮動式離岸風電示範計畫,此示範案場結合離岸風力發電技術、浮動式鑽油探勘平台等技術,總裝置容量30MW,全數已於2017年10月併網,是全球第一座商轉的浮動式離岸風場。


970 次瀏覽0 則留言

最新文章

查看全部

【〈民間團體聯合聲明〉堅定廢核 開啟對話--為能源轉型與藻礁保育找出路】

【〈民間團體聯合聲明〉堅定廢核 開啟對話--為能源轉型與藻礁保育找出路】 近日廣受社會討論爭議的天然氣第三接收站與藻礁保育,我們牽涉到台灣能源轉型的複雜問題,需要通盤的規劃與細緻的討論,並非絕對的零和遊戲。 今年是福島十週年,十年來,我們未曾忘卻核災帶給世人和大地的痛苦,更難以想像重啟危險核四後,台灣一旦發生核災,要付出什麼樣慘重不可承受的代價;核廢料更將留給後代子孫萬年遺害。