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離岸風電的海底電纜技術

2018-12-25

吳俊諆 副教授

國立中央大學機械系


再生能源趨勢發展近二十年的演進快速且發電量佔比大幅提高,在台灣的各種再生能源技術應用在近二年又以離岸風電最引人注目,離岸風電在台灣西部海岸以區塊開發大規模地進行開發。由離岸電網負責電能匯集與輸出,此時電網穩定度將大幅影響整體發電效能,因此離岸電網在整個開發案將扮演影響關鍵角色,其中,海地電纜(簡稱海纜)更是離岸電網重要且主要組件,沒有海纜便無法將電力傳輸到陸上電網。因此海底電纜可以說是離岸風電的關鍵生命線。

由近岸之固定風機基樁逐步走向浮動式基樁,固定風機基樁採用光纖複合海纜,浮動式基樁採用動態海纜,海纜是離岸再生能源發電系統不可或缺之重要組件,據估算全球的離岸風場商機就有約50~80億元/GW,此龐大商機如此誘人。

海纜的構造相較於一般陸上電纜複雜(圖1, 2),必須具有忍受海底惡劣環境之能力,及不可預測之地形變化衝擊,因此海纜設計相當複雜且須達到相當強度之要求,此外因為離岸風場規模大,海況影響離岸風場之運轉維護機會,因此必須在海纜內部嵌入體質脆弱之光纖光纜用以監控風機運轉及監測海纜於海床下之變化。

 

圖1 海底電纜剖面和材質。

 

海纜長度極高(五公里以上)帶來的挑戰也隨之增高,基於海纜絕緣體生產特性,無法以這樣的超長尺度生產,也無法容許微米級瑕疵,因此研發廠內接頭技術達到長尺度化生產為絕對需要之技術,此技術之門檻相當高,目前擁有此技術之海纜廠商只有少數幾家。

此外海纜佈纜施工風險高:為確保離岸風場如期併入電網,海纜佈纜時無法避免受海流、波浪之影響,無法避免海床高低起伏導致海纜懸吊之張力衝擊,為確保海纜長期使用壽命,通常海纜必須使用海犁將海纜掩埋於海床下二至三公尺深,在佈放海纜同時進行海床犁渠掩埋風險高,常造成海纜受損,引起責任歸屬之風險。

再者,保固長且海底不可抗拒之風險高:使用壽命二十年以上,海纜保固長達五年,但海纜於塔架與纜管道處常因淘(沙)刷及渦漩造成海纜張力、更易因為海床變遷引起海纜懸吊張力衝擊而導致海纜故障。

全球各國深知離岸風場開發是現階段再生能源之主流之一,為扶植本土產業皆無不盡其最大力量與政策支持協助,包括風場開發時程之規劃、租稅優惠、本土化比率要求、專案補助研發等,以期降低產業升級所面臨之資本輸出風險及技術、時間競賽之劣勢。

 

圖2 單鎧的海纜結構。

 

台灣四面環海,發展海洋相關產業有先天之優勢與必要性,隨著再生能源技術興起,開發高品質海纜將成為建構智慧離岸電網不可或缺之基石。國內的電纜廠商,在數年前就有陸續投入這方面的技術研發。以大亞電纜公司為例,它是國內超高壓電纜的領導廠商,對於高壓電纜之製造與品質管理技術豐富成熟,是國內第一且唯一投入海纜開發之廠商,長期研究海纜議題,已有試產各型海纜之經驗與技術的廠商,並與工研院合作完成開發浮動式海底電纜。因此能源局近年也積極鼓勵這些國內電纜廠商提出研發計畫以開發適合台灣惡劣氣候環境之海纜為目標,並進行海域現場實地驗證,致力突破海纜關鍵技術及取得海纜場域測試之實績與經驗。預期幾年後的研發成果將有助國內廠商進入離岸海纜供應鏈,並且具進軍國際市場之效益。