土木領域技術應用於離岸風能之概述教學文件

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红叶
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1 土木領域技術應用於 1 離岸風能之概述教學文件節能減碳科技土木領域人才培育研究

2 2 簡報大綱風力發電之概述離岸風能的發展離岸風能之規劃與設計概述台灣地區離岸風能的潛力離岸風能目前的困境與限制土木領域技術應用於離岸風能

3 3 風力發電之概述 -1 風能轉換靠風力機, 而風力機主要是藉由空氣流動 ( 即風 ) 轉動葉片來發電葉輪 (rotor) 為風力機轉換利用風能最重要的系統之一, 葉片鎖定於輪轂 (hub) 構成葉輪, 受風吹之空氣動力作用 ( 包括升力及阻力 ) 繞軸旋轉, 擷取風的動能, 進而轉換成有用的電能葉片愈長, 其受風面積愈大, 所能擷取的風能就愈多一般而言, 風力機之輸出電能約與葉輪直徑平方成正比 ; 而塔架高度亦隨之增加以目前商業化的中型大型風力發電機為例 :600 kw 機組的葉輪直徑約 45m 左右 1,000 kw 機組的葉輪直徑約 55m 左右 2,000 kw 機組的葉輪直徑約 75m 左右

4 4 風力發電之概述 -2 使用方式 : 1. 與電力網直接併聯發電系統, 目前風力發電約 90% 以上都是和與電網併聯方式使用, 當風大時儘量用風力機發電, 當風小或無風時再使用市電 2. 與柴油機 / 太陽光電混合發電系統 3. 獨立使用, 獨立或混合發電系統一般使用於偏遠地區或電力網無法到達的地方, 如大陸的內蒙古地區

5 5 風力發電之概述 -4 風力機主要由葉輪傳動發電系統控制系統及塔架等單元所構成 : 1 葉片轉子 : 受氣動作用, 繞軸旋轉, 將風能變為機械能 2 作功裝置 - 齒輪箱 : 轉子所獲得的機械能藉著帶動發電機 3 增速裝置 - 發電機 : 機電轉換時需利用增速齒輪箱提升轉速, 以帶動發電機 4 控制系統 : 包括阻止風力機超轉速的調速控制迎風轉向的方向控制, 以及確保風力機安全運轉的安全控制等 5 塔架 : 用來支撐風力機, 並使風力機的迴轉中心有一定的高度 6 機艙 : 保護風力機的傳動發電機與部分機電控制系統

6 6 風力發電之概述 -5 隨著葉片技術不斷的進步, 由玻璃強化纖維製成的葉片是目前商業主流, 其特色為材質輕抗腐蝕, 故風力發電機得以越做越大型為了減少機組間紊流的影響, 風力發電機設置方向應盡量與主風向垂直, 機組間應彼此距離扇葉直徑的 3-6 倍, 以免因遮風效應降低電能產量

7 7 風力發電之概述 -6 統計至今 (100) 年 6 月底, 陸域完工建置共 24 座風場, 總計 273 部機組, 累計總裝置容量為萬瓩 ( 其中已商轉達萬瓩, 計有 262 部機組 ), 另有約萬瓩於施工, 籌設及規劃中

8 8 風力發電之概述 -7 我國陸域風力發電面臨主要問題項目面臨問題優良場址漸趨飽和經濟誘因地狹人稠土地取得不易開發規模受限國際原物料價格飆漲負面影響中部縣市設置量佔 80%, 環境抗爭頻傳, 影響開發進度, 大幅縮減規劃容量噪音視覺衝擊及安全問題運轉維護臺灣高溫潮濕環境導致國外風力機水土不服, 故障率高風力機廠牌多, 系統組件未規格化, 維修耗時

9 9 離岸風能的發展 -1 離岸風能發展優勢與挑戰挑戰高風速及高滿載發電電力負荷中心距岸近無空間與電網限制技術複雜性和成本問題受限自然環境天氣及波浪需造價高昂的專用設備及安裝船優勢

10 離岸風能的發展-2 離岸風場之成本分析 10 海上風場成本組成其他 4% (海上風電成本)>(陸上風電成本) 22% 35% 運行與維護安裝電氣系統 13% 離岸風場與陸域風場成本結構差異大 17% 9% 基礎風電機組以風電機組為例 160 能 140 源成 120 陸上風場成本組成本 100 英 80 鎊 / 60 兆瓦 40 時 20 其他 4% 19% 運行與維護安裝 58% 0 4% 9% 7% 電氣系統基礎風電機組陸上風電機組基礎海上電氣系統安裝運行與維護其他

11 11 離岸風能的發展 -3 離岸風能未來發展趨勢離岸風場不得直接採用陸上型風力機組, 須重新設計, 才能適應海洋環境相對於陸域風場, 海上風場具有較強風力與較少亂流, 相同的風力機在海上能擷取更多風能, 單機容量的提升可相對降低風場總投資成本以及發電成本, 也因此離岸風力機組裝置容量皆往千瓩 (MW) 級發展, 以降低造價成本, 預測未來單機裝置容量將達 10 ~12MW 離岸風電之建置, 最大的投資係海底架構基礎固定及電纜鋪設的工程, 由於電纜鋪設工程成本較高, 因此以高壓直流電變壓技術做為主流考量

12 12 離岸風能的發展 -4 各國離岸風能發展概述世界主要國家推動離岸風力發電皆由示範性計畫開始德國建置 Fino1~Fino3 研究平台, 由政府出資進行海流波浪測風生態併網及控制等議題研究, 並建立首座離岸示範風場 Alpha Ventus 英國採取三階段投入離岸風場開發, 2020 年規劃總建置量將超過 47GW, 並占英國用電 25% 以上, 首要推出示範計畫 Beatrice, 設置兩座離岸 5MW 遠離陸地的深水風力發電場依據英國能源及氣候變遷提出英國離岸風電推動第一期計畫初步檢討報告, 指出設備獎勵為 Round 1 能夠推動成功最主要的因素之一, 也因為 Round 1 的推動, 帶動英國後續離岸風電的快速發展, 截至 2011 年英國離岸風電推動已至第三期計畫, 持續推動離岸風電發展

13 13 離岸風能的發展 -5 我國離岸風能發展狀況 9 年來能源局在風力發電推動成果完成 8.54 MW 風力發電示範系統設置, 帶動國內風力發電設置風潮研訂再生能源發展方案再生能源發展條例草案解決土地使用與倂聯技術障礙 ; 並進行離岸法規研析進行陸海域風能觀測 (3 座陸域及 1 座海域 ), 並發展風場模擬與風能評估技術, 完成台灣小尺度風能分佈圖蒐集調查風電開發基本環境資料, 並利用地理資訊系統 (GIS) 建立資料庫, 完成風電開發支援決策管理系統進行離岸風力發電推動先期研究, 完成全國第一座海域風速塔, 離岸風電潛能評估與場址評選, 以及嘉義場址之地形地質及短期海象調查與英國 BMT 公司合作離岸風場可行性評估 guidelines, 研擬出國內離岸風力電場開發可行性評估之指導方針千架海陸風力機計畫經濟部於 101 年 7 月 3 日公告實施風力發電離岸系統示範獎勵辦法 101 年 12 月 27 日完成評選作業評選結果由福海風力發電股份有限公司籌備處取得最優申請人資格, 另由海洋風力發電股份有限公司籌備處取得次優申請人資格 ; 另台電公司經專案審查合格, 亦為得受獎勵人將共完成設置離岸風力機總裝置容量約 300 MW

14 14 離岸風能的發展 -6 我國離岸風能發展狀況 - 千架海陸風力機計畫短期目標 : 2015 年完成 4-6 座離岸風機中期目標 : 2020 年完成離岸 600 MW 總共 1800 MW 長期目標 : 2030 年完成離岸 3000 MW 總共 4200 MW ( 胡斯遠, 台灣離岸風電政策推動, 2012)

15 15 離岸風能之規劃與設計概述 -1 離岸風能生命週期概述海上風電場的生命週期, 主要分為 4 個階段可行性分析階段設計及建設階段運行及維護階段拆除階段生命週期可行性分析設計與建設階段運行與維護階段拆除階段持續時間 1~2 年 4~8 年 ~20 年場址選擇投標可行性評估確定供應商完成基本組裝試營運決定運行與維護管理方式簽訂運行與維護管理合約拆除設施考量部件再利用

16 離岸風能之規劃與設計概述 -2 離岸風能場址選擇及規劃 - 選址選址評估其可用的風資源現有的資料來源現有海上測風塔或沿海測量站推算風速從全球天氣模型中獲取的類比風資料評估其可用的風資源選址限制因素風電場附近有風資源測量設備安裝海上測風塔或利用測量技術限制因素現有及未來海域使用者的限制多準則分析權衡限制因素

16 16 離岸風能之規劃與設計概述 -2 離岸風能場址選擇及規劃 - 選址選址評估其可用的風資源現有的資料來源現有海上測風塔或沿海測量站推算風速從全球天氣模型中獲取的類比風資料評估其可用的風資源選址限制因素風電場附近有風資源測量設備安裝海上測風塔或利用測量技術限制因素現有及未來海域使用者的限制多準則分析權衡限制因素利用多準則分析及地理資訊系統安裝海上測風塔附近風資源測量設備現有的資料來源多準則分析 (& 地理資訊系統 ) 航空因素電纜自然保護區土壤條件風和波浪漁業環境影響電網容量軍事區雷達航道天然氣石油管道天然氣石油平臺娛樂設施疏浚區海洋傾倒區風電場可視性水深漁業區自然保護區可開發區域軍事區航道航空風資源評估豐富之區域

17 17 離岸風能之規劃與設計概述 -3 離岸風能場址選擇及規劃 - 佈局配置佈局配置根據制約因素選定風場邊界, 佈局配置將影響建置成本跟發電量布局關鍵因素風電機組類型輪轂高度風電場容量風電機組間距每個要素的選擇取決於海上風電場的許可條件尾流影響場址條件成本佈局優化和能源成本反覆運算 ( 疊代 ) 方法佈局微調每個因素都與其他因素息息相關

18 18 離岸風能之規劃與設計概述 -3 風力機基礎設計概述 1 進行基礎設計須考慮不同地理位置要求不同地質條件要求地質狀況須確定強度及穩定性壓密及不均勻沉陷振動造成的沉陷與不穩定基礎土壤滲透性及相關水力特性風象海象地質離岸風力機基礎設計流程場址勘測外部條件風電場布局風電機組設計條件選擇基礎類型風電機組校核防腐蝕設計基礎結構設計防沖刷設計工程圖運輸安裝連接及維護方案施工 ( 海上風力發電機組設計, 吳佳梁李成鋒 )

19 19 離岸風能之規劃與設計概述 -4 風力機基礎設計概述 2- 常見基礎形式重力式基礎水深 10m 以內堅硬岩盤或礫石海床需預先整地, 結構體先於陸上施作, 再拖運至預訂位置需保護工防沖刷, 確保基礎底部穩固單樁式基礎水深 30m 以內之砂質海床對有海床淘刷情形具有一定抵抗力需大型打樁設備

20 20 離岸風能之規劃與設計概述 -5 風力機基礎設計概述 3- 常見基礎形式導管架基礎水深 20~60m 之軟弱土壤層, 對海床淘刷情形具有一定抵抗力穩定性及抗扭勁度均高, 穿浪性佳, 整體套桶結構高度有很高的調整彈性缺點與三桿型式相同三腳架基礎水深 20~40m 之軟弱土壤層, 對海床淘刷情形具有一定抵抗力剛性較大, 整體穩定性較高, 適用於較大型機組外荷載較大情形結構重且大, 建造及現地吊放成本較高 ; 需要進行水中作業, 其作業品質較難控制

21 21 離岸風能之規劃與設計概述 -6 風力機基礎設計概述 4 海上風機容量與基礎使用情況 100% 歐洲地區在不同水深下採用各種基礎形式之風場數量使用百分比 80% 60% 40% 20% 19% 78% 單樁重力基礎導管架基礎 8 風機發電容量 (MW) MW > 3.6 MW 0% 2% 1% 重力基礎結構單樁基礎導管架基礎三腳架基礎水深範圍 (m) 數量 ( 座 ) 超過 75% 歐洲海上風電場使用單樁基礎結構水深超過 40 m 或容量超過 3.6MW = 不使用單樁基礎結構

22 22 離岸風能之規劃與設計概述 -7 風力機基礎設計概述 5 台電彰濱離岸風機基礎初步設計規劃改良式套筒 ( 導管架 ) 基礎無須進行水中作業, 品質容易確保, 效率也較高套筒結構定位容易, 可節省作業時間基樁尺寸不大, 運送及打樁機具容易取得及安排連接段頂部亦可適度裁切以調整塔架之垂直度荷重直接藉由基樁傳遞分散至海床, 故套筒結構其尺寸與厚度可減少, 因而降低製造及運輸之成本 ( 台電公司,2012)

23 23 台灣地區離岸風能的潛力水深 5-20 m( 淺海 ) 潛能約 9 GW 水深 m ( 深海 ) 潛能約 48 GW 水深 m( 深海 ) 潛能約 90 GW 資料來源 : 離岸風電策略與相關產業發展討論會議引言, 顏志偉

24 24 離岸風能目前的困境與限制我國離岸風場開發主要面臨問題法規與環境人工島嶼設施與結構建造審查海域生態環境影響與環評審查面臨問題技術風險漁業權溝通與補償國防安全與雷達干擾航運安全與船隻碰撞海象環境惡劣, 多颱風地震缺乏海事工程經驗與施工機具缺乏完整長期海域環境生態資料經濟誘因無相關開發經驗技術財務風險高

25 25 土木領域技術應用於離岸風能 - 土木工程技術與離岸風能技術之關聯性離岸風力發電土木技術表關聯性強表關聯性弱結構材料大地空間資訊管理場址開發與財務工程施工風險減噪工法研擬本土風機基礎型式開發基礎震動反應海床液化潛能評估海下支承結構防蝕海事工程規劃設計與施工規範海事工程風險評估與管理台灣離岸風力專用港埠評估非破壞性檢測開發

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4 1 2 第一節清末與國民政府時期的大陸保險市場 3 第二節中共建政初期的大陸保險市場 3 2001 24 4 第三節大陸保險市場的發展階段 5 4 1990 72-73 6 2-1 7 2-1 12 Trans America New York Life Met Life CIGNA Allianz AXA Gerling Scadinavia Samsung 8 第一節大陸保險法規的演進過程

土木領域技術應用於 離岸風能之概述 教學文件

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