土木領域技術應用於 離岸風能之概述 教學文件

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 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 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 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 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 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 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 52.925 萬瓩 ( 其中已商轉達 50.485 萬瓩, 計有 262 部機組 ), 另有約 28.285 萬瓩於施工, 籌設及規劃中

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 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

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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) 7 13 6 1 1 3 1 1 1 2-3.6 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 0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 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 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 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 20-50 m ( 深海 ) 潛能約 48 GW 水深 50-100 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 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 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