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焦點專欄

深海區之風力發電技術 浮動式風力發電介紹

  • 發佈日期:2018/12/19
  • 資料來源:本站
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深海區之風力發電技術 浮動式風力發電介紹


浮動式離岸風力發電推動緣起
      風力發電設置逐漸由陸域朝向海域,而離岸風電開發也陸續成為各國的推動重點。然而在水深50至60公尺以內之可開發定置型離岸風力發電的場域也逐漸飽和的情況下,浮動式離岸風電(Floating Offshore Wind Turbine, FOWT)成為各國下一階段離岸風電開發推動重點。大型浮動式離岸風電的概念早在1972年就被William E. Heronemus教授提出,但一直到90年代因風力發 電產業成形後,此概念才被研究界所重視[連結1]。第一座商業示範的浮動式離岸風力發電計畫,直到2009年由挪威國家石油公司(Equinor)於挪威外海建置,該案場為第一座MW級浮動式離岸風力發電示範計畫(Hywind Project),也因為這個示範計畫,使浮動式離岸風電技術(Floating Offshore Wind)正式邁向商業化[圖1]。

[圖1] Hywind風場照片[圖片來源:Equinor]

       Hywind Project是挪威國家石油公司所推動的浮動式離岸風電示範計畫, 該計畫總經費高達62億美元。此計畫由挪威公司Hexicon執行設置,在風機部分由丹麥西門子風力發電公司製造、離岸風電浮台由法國Technip生產、輸電電纜由Nexans製造[連結3]。前述計畫的浮動式離岸風電機組高120公尺、風機葉片直徑85公尺、風機重量5,300噸、單機裝置容量2.3MW、適用水深120 公尺-700公尺,設置於挪威外海水深220公尺處,約在Karmøy(卡姆)島嶼東南方12公里的海上[圖2]。此示範案場結合了離岸風力發電技術、浮動式鑽油探勘平台等技術,其中風機底座設計類似於海上鑽油平台的水下浮動結構體,屬於深水浮筒式(Spar-buoy)的浮動式離岸風電機組[圖3],是第一座全尺寸的示範機組[圖4]。繼Hywind Project運轉之後,全球已有超過30個研究團隊投入浮動式離岸風電領域,如2011年的WindFloat、2013年的FORWARD等, 均是全比例浮動式離岸風電開發專案。

[圖2] Hywind設置地點[圖片來源:詳見連結2]

[圖3] Hywind風機施工照片[圖片來源:詳見連結2]

[圖4] Hywind風場示意圖[圖片來源:https://www.equinor.com]

      目前的定置型離岸風電風場開發水深大都在50公尺以下淺水區[圖5],但淺水區的離岸風電開發案場容易與其他海洋開發用途相競合(如漁業、航運等),考慮到各國淺水區可開發範圍有限,因此許多國家開始積極進行深水區的浮動式離岸風電研究。根據2018年European Maritime Days會議簡報資料[連結5],指出離岸風能約有60-80%潛能分佈於水深60公尺以上的深水區,以歐洲地區為例,在水深60公尺以上的海域推估蘊藏有4,000GW離岸風電開發潛能,而台灣外海水深60公尺以上的潛能估計可達90GW。

[圖5] 不同水深之風機開發示意圖[圖片來源:詳見連結3]

浮動式離岸風力發電技術形式
      依據Carbon Trust在2015年發布的報告「Floating Offshore Wind: Market& Technology Review」[連結6],浮動離岸風電的主要形式主要可分為五種形式,分別為Semi-submersible(半潛式)、Spar -buoy(深水浮筒式)、Tension leg platform(張力腿式)、Multi-turbine platform(多台浮動式)、Hybrid wind/wave (風力與波浪混和式)等,各浮動離岸風電形式詳述如下:[連結4]、[連結7]、 [連結8]

A. Semi-submersible(半潛式)[圖6]
於海面半潛之浮力穩定平台,以懸鏈錨泊至海床,通常需要較大及較重之結構以維持穩定,但較低吃水線使運用上較具彈性且安裝也較容易。 Principle Power於2011年安裝於葡萄牙Aguçadoura海岸場址之Wind Float及日本福島安裝之浮動式三菱7MW 風力機均是採用半潛式。

[圖6] Semi-submersible(半潛式)示意圖[圖片來源:詳見連結5]

B.Spar-buoy(深水浮筒式) [圖7]
由圓柱型壓艙穩定結構組成,其穩定性來自於其質心在水中低於其浮力中心,因此其下半部通常較重而上半部較輕,這種簡易結構相對來說較容易製造而能提供良好之穩定性,但其較大之吃水深度使其組裝、運輸及安裝具有很大之挑戰性,且可能限制其只能佈放於水深大於100公尺之場址。由Statoil於2009年安裝於挪成外海的Hywind,即為為深水浮筒式。而2016年於日本福島安裝之浮動式日立5MW風力機也是採用深水浮筒式。

[圖7] Spar-buoy(深水浮筒式) 示意圖[圖片來源:詳見連結5]

C. Tension leg platform(張力腿式) [圖8]
由半潛式結構加上張力錨繩固定於海床所組成,由錨繩提供穩定性,吃水淺及由錨繩張力提供穩定性使其可採較小及較輕之結構,但此設計增加錨碇系統的應力,而其安裝過程也具有挑戰性,當其中一支張力腿失效時會增加運轉風險。 Blue H曾於2007年至2008年安裝了一台80 kW之風力機於張力腿式浮動平台上, 其佈置地點在義大利南部Puglia外海離岸21公里水深113公尺之場址。

[圖8] Tension leg platform(張力腿式)示意圖[圖片來源:詳見連結5]

D. Multi-turbine platform(多渦輪浮動式) [圖9]
是在一個單一的浮筒或平台上,設置多組風力發電機組成之浮動式離岸風電系統,每座浮動式離岸風電系統其裝置容量最大可達20MW。此形式的特色為浮筒或平台相對 其他設計大,於浮筒上平均設置風力發電機組,對平台的穩定性相對增加。但因於平台上可以建置的風機尺寸被平台大小限制,僅能建置相對小型的風力機組,而且風機間距較近,恐容易發生相互影響的問題。

[圖9] Multi-turbine platform(多渦輪浮動式)示意圖[圖片來源:詳見連結5]

E. Hybrid wind/wave(風力與波浪混和式) [圖10]
混合式浮動風力發電是近年新提出的構想,其作法是將浮動式風力發電與波浪發電相結合,成為一座可利用海上風能及波浪能的再生能源發電機組,目前有挪威、荷蘭及美國等投入相關研究項目。

[圖10] Hybrid wind/wave(風力與波浪混和式)示意圖 [圖片來源:詳見連結4、連結5]


      而全球相對積極投入的浮動式離岸風電開發之主流技術形式,則以 Semi-submersible(半潛式)、Spar-buoy(深水浮筒式)及Tension leg platform(張力腿式)等三種為主。而這三種形式各有其優缺點,依據經濟部能源局委託研究計畫「106年度離岸風力機浮動式承載平台關鍵技術開發計畫」[連結7]之研究整理,前述三種形式之優缺點如下說明:

1.Semi-submersible(半潛式)
    ■ 優點:
        A. 可設置水深較為彈性,淺水區至超過50公尺之深水區皆可安裝。
        B. 機組可在岸邊施工組裝,再由拖船直接拖至施放地點。
        C. 風機故障時,可拖回港口進行維修。
    ■ 缺點:
        A. 浮體平台鋼構較複雜,且平台結構設計及點焊製作技術門檻高,開發本相對提高。
        B. 浮體平台可能需要配置動態穩定係統(active ballast systems)及主動壓艙水系統。

2.Spar-buoy(深水浮筒式)
    ■ 優點:
        A. 浮筒結構簡單,具有較少的移動元件,可在工廠進行大量生產。
        B. 浮筒穩定度高,不需要額外的動態控制系統。
    ■ 缺點:
        A. 僅能設置於120公尺以上的深水區,可設置範圍相對受限。
        B. 無法於港口或岸邊組裝,且組裝工作船需具備起重設施與有動態穩定係統。
        C. 因設施吃水較深,如風機故障時,僅能現場修復,無法拖回港口作業。
3.Tension leg platform(張力腿式)
    ■ 優點:
        A. 結構較輕,無主動壓艙系統,浮台建置成本相對較低。
        B. 可機組可在岸邊施工組裝,再由拖船直接拖至施放地點。
        C. 平台穩定性高,不需要額外配置動態穩定系統。
    ■ 缺點:
        A. 安裝過程較其他形式複雜,需要特製的安裝駁船。
        B. 錨定係統需承受高負荷,容易發生金屬疲勞之問題。


歐洲浮動式離岸風力發電推動概況
      在2018年10月WIND Europe發布了一份報告「FLOATING OFFSHOREWIND ENERGY A POLICY BLUEPRINT FOR EUROPE」[連結9]指出,歐洲地區因積極地推動定置型離岸風電,促使定置型離岸風電成本在10年間大幅下降,也讓歐洲地區成為離岸風電發展重鎮。如果要持續維持歐洲離岸風電的領先地位,除持續推動定置型離岸風電外,對於浮動式離岸風電也因積極開發與推動。而依據該報告統計,目前歐洲地區共有3座浮動式離岸風電示範案場及1座商業運轉的浮動式離岸風電場。預估在未來5年間,歐洲地區將有6個國家推動浮動式離岸風電[表1],總計裝置容量達364MW。在過去3年間,定置型離岸風電的均化成本由2014年的150歐元/MWh下滑至2017年的65歐元/MWh,而目前浮動式離岸風電的成本約為180至200歐元/MWh之間,但現階段的浮動式離岸風電大部分屬於示範形式的小型案場,如考量到規模經濟及技術學習曲線的因素,推測在2023年至2025年時,歐洲地區的浮動式離岸風電的均化成本將落在80-100歐元/MWh,預估累計設置量將達到1GW左右。而 在設置規模的帶動下,估計至2030年歐洲地區的浮動式離岸風電之均化成本 將下降至40-60歐元/MWh,屆時累計設置量將突破4GW。 [圖11]
[表1] 2019至2022年間歐洲地區浮動式離岸風電推動案統計

[圖11] 2018至2030年歐洲地區浮動式離岸風電均化成本與設置量趨勢 [圖片來源:詳見連結9]

      目前雖浮動式離岸風電仍較定置型離岸風電昂貴,未來歐洲地區浮動式離岸風電將由示範案場逐漸轉為大規模開發的商業案場,而這樣的趨勢也替歐洲離岸風電行業帶來新的機會與挑戰。因浮動式離岸風電可在岸邊組裝, 故需要更大的組裝基地與港口,但目前歐洲地區的大部分的港口設施尚無法提供浮動式離岸風電安裝與組裝等服務;再者因採取浮動式設計,因此錨碇系統及電纜系統將扮演將當重要的角色,而如何利用錨碇系統將浮動平台固定在深水(100公尺)海域,使離岸風電不致發生流錨的情事。另外在電纜系統方面,因風場位於深水區,電纜系統需以懸吊的方式與離岸風機串接,易造成電纜過大負荷,而現行的電纜與海上變電站也都無法直接應用於浮動式離岸風力發電案場上。另外在施工與維運方面,也需要建置新式的工作船及駁 船。透過前述新技術與新需求,將帶給歐洲地區的離岸風電產業更多的商機與就業機會。

亞洲浮動式離岸風力發電推動概況
      而在亞洲地區的浮動式離岸風電研究上以日本為最積極,目前日本共有兩處再進行浮動式離岸風電試驗,分別為於福島外海及長崎縣福江島外海。在福島外海共建置有三座浮動式離岸風力電機組及1座海上變電站設施[連結10],三座浮動式離岸風力發電分別由日立製造所及三菱重工製作,裝置容量分別為ふくしま未來(福島未來)-2MW(日立製造所-量產型商用機組—4柱型半潛式平台)、ふくしま浜風(福島濱風)-5MW(日立製造所-示範測試用機組-進階版浮筒式)、ふくしま新風(福島新風)-7MW(三菱重工-示範測試用機組-V型半潛式平台) [圖12]。日本福島浮動式離岸風電發電示範計畫主要是針對風機機組之安全性、可靠度及經濟性等進行檢測,經過測試發現,2MW的浮動式離岸風電機組應具備相當可靠度,測試期間設備利用率達32.9%,該機組初步符合商業需求。 5MW的浮動式離岸風電機組導入新式的深水浮筒設計,該浮筒雖具有降低浮體搖擺的幅度,但5MW的機組設備利用率14.8%。而7MW的示範機組在測試過程其浮體平台發生裂紋的問題,顯示大型機組設計尚無法承受海洋環境的衝擊,且該機組變速器有別其他兩座的固定齒輪式而改採用可變油壓式,但油壓變速系統在高速運轉下出現故障問題,顯示此變速系統在設計上仍需改進,因前述原因導致本機組設備利用率僅有個位數。

[圖12] 日本福島外海浮動式離岸風電案場概要[圖片來源:詳見連結10]


      在長崎縣福江島外海所進行的浮動式離岸風電(崎山沖2MW浮體式洋上風力発電所)測試,所採用機型與挪威Hywind Project相似,同為深水浮筒式的構造,該風機委託日立製造所開發,單機裝置容量為2MW、年發電量約為613 萬度電、構造物的全長172米、下部浮筒直徑7.8米,發電設施吃水水深達76 米、設備重量約為3,400噸,如風力發電浮出水面的高度約為100米,與大阪通天閣高度相當[圖13]。約可供應1,700戶的年用電量。 「崎山沖2MW浮體式洋上風力発電所」[圖14]案場由戸田建設株式會社進行興建與營運,並於 2016年正式運轉,所產生的電力循FIT方式全數售與日本九州電力公司。後續也將由戸田建設株式會社在此海域增設10台浮動式離岸風電。 

[圖13] 日本崎山沖2MW浮體式洋上風力発電設備概要 [圖片來源:詳見連結11]     

[圖13] 日本崎山沖2MW浮體式洋上風力発電設備概要 [圖片來源:詳見連結11] 

      我國離岸風電開發,現階段處於示範案場推動階段,並於2017年7月完成我國第一座離岸風力發電示範案的啟用,離岸風電相關產業鏈與經驗仍在累積階段。但參考國外的經驗,離岸風電的開發,勢必由淺水區到深水區, 而風機形式也將從定置型逐漸轉向浮動型。雖浮動型離岸風電目前全球尚無大規模商用化案例,但離岸風電先進國家已著手投入浮動型離岸風電之示範 風場的研究,顯見浮動式離岸風電將是未來的發展重點。而經WIND Europe的報告評估,依照目前的浮動式離岸風電發展速度與進程,預估到2030年時, 浮動式離岸風電的均化成本將落於80-100歐元/MWh之間,已相當接近2017年度定置型離岸風電均化成本65歐元/MWh。可見浮動式離岸風電在2030年前後將有機會成為大規模商業開發之標的。
      因此本研究建議,可持續觀察全球浮動式離岸風電之技術動態,並且參考日本浮動式離岸風電開發經驗,逐步規劃我國浮動式離岸風電開發時程。而依據歐洲的發展經驗,浮台的設計、錨碇系統的佈建、電纜設備等將是浮動式離岸風電的關鍵,因此建議我國在規劃浮動式離岸風電開發研究時,可優先針對前述的關鍵技術進行探討研究,找出適合我國深水海域運用的技術與設備,並且透過設計、模擬分析及小比例尺設備試驗來提升相關技術的開發能量,使我國能真正擁有自主化的浮動離岸風電開發技術。

資料來源:
[連結1]Feasibility of Floating Platform Systems for Wind Turbines: Preprint
[連結2]Hywind Scotland - status and plans
[連結3]浮體式離岸風電技術發展現況與未來展望
[連結4]C. Pérez-Collazo(2015),A review of combined wave and offshore wind energy,Renewable and Sustainable Energy Reviews。
[連結5]Floating Offshore Wind: Market & Technology Review
[連結6] Floating offshore wind turbines: a key for blue economy and renewable energies
[連結7]經濟部能源局106年度離岸風力機浮動式承載平台關鍵技術開發計畫,金屬工業研發中心。
[連結8]經濟部能源局105年度多台水平軸離岸風力機浮動式承載平台技術開發計畫,金屬工業研發中心。
[連結9] FLOATING OFFSHORE WIND ENERGY A POLICY BLUEPRINT FOR EUROPE
[連結10] 福島沖での浮体式洋上風力発電システム実証研究事業総括委員会報告書
[連結11] パンフレット「崎山沖2MW浮体式洋上風力発電所」

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