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離岸風電的在地化固定式水下結構關鍵技術發展

2019-11-28

江允智 副教授

慈濟大學通識教育中心


為達成我國2025能源發展目標並推動離岸風力發電產業發展,政府於2017年推出「風力發電4年推動計畫」,規劃臺灣離岸風力發電累計建置容量由2016年8MW,增加到2020年520MW、2025年3GW之目標設置量,2018年政府根據潛力場址申設案規劃「先遴選、後競價」推動也使得2025年之目標提升至5.5GW。而潛力場址遴選得標七家廠商,除須按約定時程完成離岸風場開發外,還須承擔落實「產業關聯執行方案」責任,落實國產化承諾並建立自主供應能量,帶動相關產業發展與創造就業。目前風機及葉片等相關設備及塔架上部結構掌握在國外風機商,除了在台組裝外難以落實技術自主在地化;而水下結構為目前最有可能由國內產業參與設計開發、製造組裝、運輸施工以及營運維護之技術自主項目。然而執行迄今國內相關廠商面臨困境,例如示範風場海洋風電公司已將85%股權售予外商,更在海洋風電二期128MW水下基礎即將建置完成階段15%持股的上緯新能源公司拋出震撼彈將公司轉售給歐洲風電開發商退出市場;而完成示範風場海底電纜佈設的穩晉公司雖獲得最多潛力廠址遴選的沃旭能源公司海纜施工合約,但經評估先期投入成本與技術門檻過高、完工期緊迫施工量能問題且人才不足而與沃旭解約。離岸風電產業發展自主在地化的困境,主要由於國內公共工程採購與國外迥異、施工與人員認證制度、第三方認證、環保工安認證及環境背景差異使得工程技術發展方向不同(國內大型港灣及海事工程多以重力式基礎為主,而國外離岸風電則以單裝、三樁及塔架式等大口徑樁基礎為主)導致技術與人才不足,加上外商對於環保工安及施工等相關認證十分堅持,也使得國內只有少數廠商能打入離岸風電供應鏈。

圖一  離岸風機複合重力式基礎之結構設計分析與檢核結果

 

離岸風場較陸域風場更具有優質之風力來源,包含更高的平均風速及較低的紊流,但是離岸風機需面對比陸域風機更嚴苛的環境狀況,位於亞熱帶的台灣多颱風、地震頻繁及高溫之特殊環境條件,國外技術團隊並無實際經驗;而目前國內預定風場之海床地質係由砂土層夾雜粉土與黏土層之軟弱土層,受到颱風、波流以及地震之作用下,在離岸風機支撐結構基礎設計、製造與海上施工所面臨之問題,包含土壤液化潛勢高、承載力不佳、基礎周圍局部嚴重淘刷、鋼材亦長期暴露於高溫鹽害以及高度生物附著的海水中,易造成鋼結構腐蝕迅速降低強度等等區域問題必須克服。此外目前歐美國家採用之離岸風機之單機容量逐漸趨向大型化,如國際風機大廠Senvion 已經發布10MW 風機樣機(Prototype), MHI Vestas 及Siemens 亦都已經有8MW風機之量產及實際風場應用;反觀國內離岸風電則尚在起步主要仍以4~6MW為工程及研發標的,雖然政府已積極推動人才培育政策解決目前遭遇問題,但若沒有更為前瞻的自主在地化技術發展,而只止於解決眼前問題,前揭國內廠商長期的困境恐難克服。

圖二  破壞造成自然頻率發生改變進行檢測的結構全域健康狀況監測系統

 

國內過去在第二期能源國家型科技計畫風能及海洋能主軸計畫支持下,不少前瞻自主在地化的技術研發,以核能研究所、台大、成大及慈濟大學的團隊成果為例,針對國內離岸風機固定式水下結構發展自主在地化關鍵技術成果包括:參考本土離岸風場地質及極端條件如颱風與地震等影響參數,根據IEC-61400-3設計標準,完成鋼樁混凝土沉箱複合重力式基礎 (Hybrid Gravity Based Foundation)、結構於各項極限設計載重情況 (Design Load Cases)之安全影響評估、大口徑單樁與三樁及桁架式支撐結構水工縮尺試驗驗證、藉由破壞造成自然頻率發生改變進行檢測的結構全域健康狀況監測、建立風機基樁淘刷模擬與預測技術並配合自主開發之基樁淘刷監測與預警系統、以及提出本土型生態工程保護工構想與海洋牧場共構建議等,都針對國內海域環境特性及國內海事工程廠商機具與能力發展自主在地化技術,期望促使整個固定式水下基礎產業鏈在地化發展。

離岸風機基礎淘刷預警系統

 

期望能有更多針對國內特殊海域環境與海事工程產業特性的自主在地化關鍵技術研究,以協助建立國內發展離岸風機水下結構與基礎完整開發與運維技術能力,協助發展國內離岸風電產業。