離岸風電大解析(一):離岸風場的「靈魂」-離岸風機

自1991年,丹麥安裝了全球第一座離岸風電場開始,離岸風電便成為備受看好的綠色能源技術。27年來,全球離岸風電裝置容量逐年上升,建置成本快速下降。截至去年,全球裝置容量已達23GW,全球風能協會(Global Wind Energy Council)更預測全球離岸風電裝置容量將在未來五年內成長139%,於2023年達到55GW的容量[註1]。


離岸風電之所以受到全球海洋國家青睞,主因包括穩定的風力條件、不受土地限制和噪音較小等優點。因為海面不像陸地上有建築物、自然地形阻擋風勢,因此風力供應往往更穩定、充足,而風場座落於海上,不會佔用民生用地、破壞沿海景觀,風機運轉所發出的噪音對於沿岸居民的影響也較小。

 

離岸風力發電場組成

離岸風電場是由風機、海纜、離岸變電站、陸域電纜與陸域變電站所組成。海上的風力由風機產生出來後,透過海纜運送到離岸變電站加壓,再利用海纜與陸域電纜傳輸至陸域變電站轉換為可進入電網的電壓,最後再經由電網設備輸配至每個家戶。

 

https://www.enbw.com.tw/FileUpload/Portals/%E9%A2%A8%E6%A9%9F%E9%85%8D%E5%9C%96.jpg

圖說: 離岸風機主要由葉片、機艙、塔架和水下基礎所組成。(圖片來源: EnBW安能)

 

離岸風場的靈魂─離岸風機
在一座離岸風場中,離岸風機可說是風場不可或缺的「靈魂」。缺少了風機,海上的風力便無法轉換成大眾可使用的電力。離岸風機看似結構單純,但事實上每一隻風機裡頭都包含了無數精密的零件,而風機身上的每個組成:葉片、發電機、塔架和水下基礎等,也各自有其一門「學問」。

 

https://www.enbw.com.tw/FileUpload/Portals/20190406_enbw_hohesee_wtg_c_wiwiphoto_ulrich_wirrwa_lr--3.jpg

圖說: 安能集團位於北海的最新風場Hohe See,葉片尺寸長達75公尺,支撐塔高度超過100公尺。(圖片來源: EnBW安能)

 

葉片與機艙 (Blades and Nacelle)
離岸風機葉片與機艙位於風機頂端,風力推動葉片運轉,並將轉動所產生的機械能透過轉子軸心傳到葉片後方的機艙。艙內包含發電機、齒輪箱等,將機械能轉換為電力。離岸風機的葉片長度也會隨著風機單機功率大小而不同,安能集團最新在北海建置中的離岸風場Hohe See採用西門子歌美颯SWT-7.0-154風機,在今年4月剛安裝上的葉片尺寸長度則長達75公尺[註2]。

風機支撐塔架 (Tower)
支撐塔架就像是離岸風機的脊椎,支撐著風機豎立在海中。塔架上方搭載著機艙及葉片,下方則固定於基礎建設之上。一般來說,因為距離海面愈高,風速愈大,因此愈高的塔架通常愈具優勢。如Hohe See風場的風機支撐塔高度便超過100公尺高[註3],大約30層樓高。

 

https://www.enbw.com.tw/FileUpload/Portals/EnBW_Floating%20graphic.jpg

圖說: 安能集團主要採用單樁式、套筒式水下基礎,並積極研發浮動式基礎(圖片來源: EnBW安能)

 

水下基礎建設 (Underwater Foundation)
水下基礎是風機的雙腳,使風機能穩固的站在海床上。隨著技術發展,單支風機功率愈來愈大,再加上風場往更深的水域發展,對於支撐塔的要求和設計也愈發複雜。

安能集團目前主要使用的水下基礎建設為單樁式基礎(monopile foundation)與套筒式基礎(jacket foundation)。單樁式基礎適合使用於海床地盤較為堅實的淺海(20至25 公尺)地區;而套筒式基礎則是在水深超過20公尺的風場中最為經濟的基礎型式,且因不需大型樁基礎,對於鋼材的需求量也較低[註4]。目前安能集團旗下已完工或建置中的四座風場Baltic 1、Baltic 2、Hohe See及Albatros均使用單樁式水下基礎建設,而Baltic 2部分水深超過40公尺的區域則採用套筒式水下基礎建設。

此外,安能集團也積極研發適合使用在離岸距離更遠,且水深超過50公尺以上深海區的浮動式基礎(floating foundation),並計畫將此項技術運用於安能集團在美國加州的離岸風場中。

 

https://www.enbw.com.tw/FileUpload/Portals/baltic-2_ueberblick_lightbox_1024.jpg

圖說: 安能集團位於波羅的海的風場Baltic 2 (圖片來源: EnBW)

 

離岸風電在全球各地都是一項成長中的新興產業,各個海洋國家也持續精進離岸風場開發的技術與累積經驗。在台灣,政府亦規劃在2025年,於西部的海域上豎起數百支風機,提升台灣的能源自主性和永續性。



雖然比起歐洲諸國,台灣起步的較晚,但台灣擁有成熟的鋼鐵、碳纖維和船舶等重工業基礎;再加上政府大力支持,協助企業共同籌組「離岸風電海事工程聯盟」(Marine Team)和「離岸風電零組件國產化產業聯盟」(Wind Team),展現發展離岸風電供應鏈極高的潛力。

 

https://www.enbw.com.tw/FileUpload/Portals/Wind%20farms.jpg

圖說: 安能集團分別在波羅的海和北海擁有5座風場。(圖片來源: EnBW安能)

 

安能集團自2011年開始開發離岸風電場,至今在德國已擁有5座風場;同時,安能集團也積極向外發展,除了在加州也即將開發離岸風場之外,安能也立足台灣,與上緯新能源、麥格理資本兩大夥伴共同投資位於彰化外海的海鼎風電(Formosa III)三座風場。我們也很期待透過這樣的合作,能夠為台灣離岸風電產業貢獻安能的經驗和技術,協助台灣落實能源永續的目標。

Sources

文章出處源於安能亞太官網

[註1] Global Wind Energy Council (2018), “51.3 GW of global wind capacity installed in 2018”, https://gwec.net/51-3-gw-of-global-wind-capacity-installed-in-2018/
[註2] Simens Gamesa, SWT-7.0-154 Offshore wind turbine, https://www.siemensgamesa.com/en-int/products-and-services/offshore/wind-turbine-swt-7-0-154]
[註3] EnBW, Hohe See & Albatros Offshore Wind Farm, 
https://www.enbw.com/renewable-energy/wind-energy/our-offshore-wind-farms/hohe-see/
[註4] Cheng-Yu Ku, Lien-Kwei Chien (2016), “Modeling of Load Bearing Characteristics of Jacket Foundation Pile for Offshore Wind Turbines in Taiwan”, Energies 2016, 9 (8), 625; doi:10.3390/en9080625. (IF 2.077, SCI, 43/88, Q2 in ENERGY & FUELS, JCR 2015)

參考資料來源:
1. 台灣海洋重工-關於台灣發展離岸風力發電:離岸風電小知識
https://tmhi2013.wordpress.com/%E9%97%9C%E6%96%BC%E5%8F%B0%E7%
2. 台灣國際造船股份有限公司-海上變電站簡介 http://www.csbcnet.com.tw/monthly_pub/files/01%E6%B5%B7%E4%.pdf
3. International Energy Agency-Offshore Wind Progress https://www.iea.org/tcep/power/renewables/offshorewind/
4. EnBW Factbook 2018
5. 第二期能源國家型科技計畫-離岸風電知識網 
http://www.nepii.tw/KM/OWE/index.html

Categories:
  1. 安能
  2. 再生能源
TOP