51
0 中 華 民 國 1 0 6 年 12月
0 中 華 民 國 1 0 6 年 1 2 月
1
壹、前言
貳、離岸風場開發規劃技術
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
肆、離岸風場施工關鍵技術
伍、結論與建議
離岸風場基礎設計關鍵技術之探討
2
壹、前言
離岸風場基礎設計關鍵技術之探討
3
歐洲離岸風場開發趨勢
資料來源：http://www.ewea.org/statistics/offshore/
壹、前言
4
資料來源：Modified from Künitzer et al., 1992 資料來源：Garrad Hassan and Partners Ltd
壹、前言 歐洲離岸風場開發趨勢
5
歐洲離岸風場開發現況
資料來源：http://www.ewea.org/statistics/offshore/
壹、前言
6
EWEA, 2014
2013年前：平均離岸距離 29km、平均水深 -16m 2013年：平均離岸距離 30km、平均水深 -20m 2015年：平均離岸距離 40km、平均水深 -30m
壹、前言
EWEA, 2015
資料來源：EWEA, 2014 資料來源：EWEA, 2014
7
2014年採用風力機：(1)Siemens (2)BARD (3)Vestas
2014年風力機基礎：(1)Monopile (2)Tripod (3)Jacket
壹、前言
8
風力機
風力機基礎
電力系統
其他
資料來源：DNV GL, 2014
歐洲離岸風場建置成本：350萬歐元/1MW(1.33億台幣/1MW)
300MW規模之離岸風場為例：約400億新台幣
風力機180億、風力機基礎100億、電力系統72億
其他(專案運作、保險、融資、預備金等)48億。
壹、前言
能源是推動國家經濟發展的基本動力，而台灣98%以上的能源仰賴進口，有必要分散能源之來源。經濟部能源局遂於102
年7月頒佈「風力發電離岸系統示範獎勵辦法」。
離岸風力發電為良好的替代能源之一
台灣中部西海岸風能資源豐富，深具開發潛力。尤其台灣海峽中北部海域，可利用之風能更高，依工研院評估結果，高達3GW以上，此綠色能源值得開發。
9
壹、前言
10
政策面-能源局
國內離岸風電產業推動政策
陸域為期20年躉購電價：2.8395元/kWh(2016年）。 海域為期20年躉購電價：5.9838元/kWh(2016年）。
壹、前言
11
台電
永傳
上緯
上緯(Swancor)： 測風塔(2015/09完成，CECI設計
監造) 示範機組+風場:4MW(32架)=128MW
永傳(TGC)： 測風塔(2015/09完成，CECI設計監
造) 示範機組4MW(2架)=8MW
台電(TPC)： 測風塔(2015/11月完成) 示範機組+風場5MW(22架)=108MW(
預定2020完成)
1.示範獎勵辦法： 2016年：完成示範風機。 2020年：完成示範風場。
壹、前言
12
離岸風力發電場址規劃申請作業要點
7/2公告風場申請辦法
年份 2016 2019~
2020
2021~
2025
累積開發量(MW)
15 520 3000
風機累積
數量(架數) 4 104 600
每年裝機數量需求(架數)
50 100
壹、前言
13
104年
7月
公告潛力場址
104年
10月
風場申請
104年
10-12月
風場申請備案
106年
12月
通過環評初審
108年
12月
籌備創設備案
110年
12月
取得施工許可
1.申請人依電業法取得電業執照之電業，其自有資金比例應占總投資額比率5％以上。
2.單一申請案設置規劃不得小於十萬瓩(100MW)，每平方公里不得小於五千瓩(5MW/km2)。
3.申請文件要項 電業或籌備處成立相關證明。 自有資金之相關財力證明文件。 風場位置圖及風力機組布設圖。 飛航、雷達、軍事管制、禁限建、船舶安全、水產動植物繁殖保育區、漁業權及礦業權有關單位意見書。
其他經主管機關指定之文件。
壹、前言
14
貳、離岸風場
開發規劃技術
離岸風場基礎設計關鍵技術之探討
15
機艙
塔架
維護平台
防淘刷保護
葉片
輪殼
轉接段 基樁
登船處
EL 115~135m
30m
20m
45~
55m
5m
45~
55m
EL ±0
EL -20m
EL 70~80m
EL 20m
EL -50m
20~
30m
離岸風力機主要構件
尺 寸
風機構件 重 量
(Tons)
長 度
(m)
高度
(m)
寬度/直徑(m)
單樁基礎(Monopile
foundation)
150 ～ 210
(for 27 ～ 40 m
long monopile)
500 (for 60 m
long monopile)
27 ～ 40
to up to 60 N/A D：5.1 / 5.5
轉置器(Transition
piece)
170 17 per unit N/A D：4.2
機艙(Nacelle
incl. hub) 125 ～ 150 14 3.3 W：3.9
單一葉片
(One blade) 13 ～ 18 55 N/A
Max. W：4.2
塔架(tower
Section) 約70 32.5
組合後60
d：4 ～ 4.6
資料來源：Vestas 2008；本計畫彙整
貳、離岸風場開發規劃技術
16
基礎型式
重力式
Gravity
單樁式
Monopile
三樁式
Tripile
吸筒式
Suction
三腳管式
Tripod
套管式
Jacket
浮動式
Floating
海床地質強度需求
最高 較高 較高 最高 較低 較低 無
較適水深 0～25m 0～25m 20～40m 0～25m 20～50m 20～50m >80m
水下支撐結構之基本構造型式
單樁式結構 (Monopile foundation)：
三腳管式結構 (Tripod foundation)
導管架式結構 (Jacket foundation)
重力式結構 (gravity foundation)
浮動式結構 (floating foundation)
17
選定2或3種最佳基礎型式
貳、離岸風場開發規劃技術
18
風電產業 分工方式
開發商
顧問公司
統包商
專業分包商
製造
施工安裝
驗證
離岸風場開發關鍵課題
1. 風場區位確認
3. 基礎型式研擬
4. 海、陸纜設計
6. 施工計畫與
船機擬定
8. 施工管理
7. 施工基地改善
9. 試運轉檢核
2. 海域資料整合
5. 變電、併網設計
貳、離岸風場開發規劃技術
專 用 漁 業 權 漁 場 圖
彰化沿岸海域專用漁業權漁場圖
中 華 白 海 豚 棲 息 環 境
環境
限制因素
外海
航道 (離岸11km外)
漁業
權範圍
溼地保護 、
漁礁區
中華
白海豚
棲地
1.風機場址避開環境限制因素
環境限制：白海豚、漁業權、溼地保護區、漁礁、外海航道等限制因素
風機佈設：避開環境限制因素，降低外在阻力(民眾、環保團體…)
中華白海豚重要棲息環境
大城溼地
紅樹林 `
白海豚棲地
漁礁 漁礁
19
貳、離岸風場開發規劃技術
民國95～98實測地形變化
淤積
侵蝕
實測地形：近岸侵蝕、離岸淤積
選址原則：碎波帶外、颱風波浪影響性
小、海床呈淤積特性區域(降低基礎侵
蝕影響)
濁水溪
2.地形變遷分析(實測地形、MIKE21)
數值模式：近岸地形變動受颱風波浪
主控、離岸則受潮流主控
海床變化圖(潮流)
淤積
侵蝕
海床變化圖(N向颱風波浪)
淤積
侵蝕
貳、離岸風場開發規劃技術
20
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 5 10 15 20 25
Electrical Power (kW)
Wind Speed(m/s)
3.風機型式選擇
(1)選擇重點：
1
市佔率：
高市佔率、主流商品
2
3
Siemens 53％
Vestas 36％
Other 11％
2 風機市佔率
性能曲線圖
資料來源：Jos Beuskens,ECN
1 風機發展趨勢
160mφ
126mφ
112mφ
15mφ
?
Roto
r dia
mere
r(m
)
‘85 ‘87 ‘89 ‘91 ‘93 ‘95 ‘97 ‘99 ‘01 ‘03 ‘05 ? .05 .3 .5 1.3 1.6 2 4.5 5 8/10MW
1”year of operation
Installed power
90m高平均風速 (約12～13m/sec)
風能分析 3
風機朝大型化發展：
選擇大型風機為主
Vestas 3.0MW
REpower 5.0MW
12 13
ARVEA 5.0MW
高滿載使用率：
選擇風機可於 12～
13m/s風速下，提供
最佳滿載使用率。
21
貳、離岸風場開發規劃技術
風機數量 尾流損失
WAsP風能分析：發電量與尾
流耗損間取得最佳平衡點，
進行佈設。
佈置原則：
垂直、平行風機優勢風向排距： 4D～6D(>3D)、6D～10D(>5D)
4.風機佈置建議
貳、離岸風場開發規劃技術
22
迴路 型式
鏈 形 佈 設 環 形 佈 設
示 意 圖
初期投資成本
低 高
施工性 工期短
無須設置多組開關 工期長
須設置多組開關
維護性 無開關維護問題 增加維護時間成本
故障機會成本
低 高
可靠性 高 低
贅餘度 高 低
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
G
1.風場內海纜串聯配置
33kV三芯電纜
2.風場連外海覽配置
161kV三芯海纜
5.海纜平面配置與路徑
23
貳、離岸風場開發規劃技術
24
參、離岸風場
基礎設計技術
離岸風場基礎設計關鍵技術之探討
25
設計準則
資料來源：IEC 61400-3，本計畫編修
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
1.依負載或負載效應的線性組合，進行局部安全係數法設計 (Partial Safety
Factor Method)。
2.依直接模擬載重過程之組合載重效應，進行分項安全係數法設計。
3.依試驗輔助進行設計。
4.依概率基數進行設計。
26
外國主要參考標準或準則名稱 準則代碼 制訂機構 (國別)
制訂 年份
Design of Offshore Wind Turbine Structures DNV-OS-J101 DNV
(挪威) 2013
Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines GL GL
(德國) 2012
Offshore Wind Turbine Installations ABS ABS
(美國) 2010
Design requirements for offshore wind turbines BS-EN 61400-3 BSI
(英國) 2009
International Standard Wind turbines – Part 1 : Design
requirements IEC 61400-1 IEC 2005
International Standard Wind turbines – Part 3 : Design
requirements for offshore wind turbines IEC 61400-3 IEC 2009
Electrical Power Cables in Subsea Applications DNV-RP-F401 DNV
(挪威) 2012
水下支撐結構設計標準或準則
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
27
外國主要參考標準或準則或法規名稱 準則代碼 制訂機構 (國別)
制訂 年份
OFFSHORE SUBSTATIONS FOR WIND FARMS DNV-OS-J201 DNV
(挪威) 2009
Recommendation for mechanical tests on sub-marine
cables
ELECTRA
No.171 ELECTRA 1997
Recommendations for testing of long AC submarine cables
with extruded insulation for system voltage above 30(36) to
150(170) kV
ELECTRA
No.189 ELECTRA 2000
Guide for the Planning, Design, Installation, and Repair of
Submarine Power Cable Systems IEEE1120 IEEE 2004
Recommended Practice for the Electrical Design and
Operation of Windfarm Generating Stations IEEE1094 IEEE 1991
風力發電場設計規範(徵求意見稿) GB 中國電力企業聯合會(中國)
2012
再生能源發電設備設置管理辦法 經濟部能源局 (
中華民國) 2010
水下支撐結構設計標準或準則
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
28
風力機等級基本參數
風力機等級 Ⅰ Ⅱ Ⅲ S
Vref (m/s) 50 42.5 37.5
由設計者規定各參數
A Iref (−) 0.16
B Iref (−) 0.14
C Iref (−) 0.12
表中各數值應用於輪轂高度：
Vref 表示參考風速10分鐘之平均值，
A 表示較高紊流特性級，
B 表示中等紊流特性級，
C 表示較低紊流的性級
Iref 表示在 15m/s 時紊流密度之期望值。
Ⅰ～Ⅲ級之風力機設計壽年至少為20年 ，
S級風力機組之設計文件應包含相關資訊。
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
29
離岸風電風機基礎及適用水深
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
30
離岸風電風機基礎型式(一)
單樁(Mono pile) 重力式(Gravity)
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
31
離岸風電風機基礎型式(二)
三腳管柱(Tripod) 導架式(Jacket)
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
32
Pre-FEED
水深
風機
形式,尺寸
海床及
土壤條件
環境載重
風波潮流
極端條件
颱風,地震
施工方法
可利用安
裝船,能力
成本
資料來源：EWEA, 2014
預前端工程設計(Pre-FEED)：選定2或3種最佳基礎型式
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
基礎範圍
SUBMARIN
E CABLE
JACKET
FOUNDATION
33
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
34
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
35
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
36
離岸構造物結構分析
樁基結構分析
倒塌分析
疲勞分析
支撐結構基礎設計關鍵項目
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
37
重要計算外力載重組合-四種情境
(1)Ultimate Limit States (2)Fatigue Limit States
(3)Accidental Limit State (4)Serviceability Limit State
計算結果其振動頻率需落在1P～3P之間避免共振
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
38
自然振動：
風、浪、 流、地震
強制振動：
風機轉動
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
39
Ultimate Limit States
風、浪、流載重組合
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
40 40
Fatigue Limit States
風、浪、流載重組合
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
41
7.5D
海纜構造設計
土壤疲勞分析
J tube內保護
防淘刷保護
防淘刷設計
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
41
Jacket 轉接段細部設計分析重點
42
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
43 43
Grouting設計
參、離岸風場基礎設計關鍵技術
44
肆、離岸風場
施工關鍵技術
離岸風場基礎設計關鍵技術之探討
45
-設計波高資料統計及分析
-地質資料評估
-風況資料評估
-風機基礎的重量約達600~1000Tons
-風機基礎施工
採用起重船吊放及打樁
(heavy lifting vessel, HLV)
肆、離岸風場施工關鍵技術
兔耳形(側視)裝運示意圖
兔耳形(前視)裝運示意圖
星形(前視)裝運示意圖
資料來源：Port and Infrastructure Analysis for Offshore Wind Energy Development, Tetra Tech Ec,Inc.,2010
離岸風機裝運模式
資料來源：http://http://www.4coffshore.com
肆、離岸風場施工關鍵技術-風機海上安裝
46
徵信
Due Diligence
規劃驗證
Planning
電網併聯驗證
Grid
connection
設計驗證
Foundation
Design
材料及試驗試驗證
Materials
laboratory
test
製造驗證
Manufacture
海事確保查證
Marine
Warranty
Survey
勞安衛檢驗
HSE
定期檢查驗
Periodic
Inspection
基礎安裝驗證
Foundation
Installation
風力機安裝驗證
Wind turbine
installation
海纜安裝驗證
Cable
installation
試運轉驗證
Commission
營運與維護
Operation and
maintenance
除役驗證
decommission
計畫驗證Project Certificate 保險與貸款
肆、離岸風場施工關鍵技術-驗證
47
48
伍、結論與建議
離岸風場開發三大主軸技術
風機及塔架：風機廠商主導
支撐結構基礎：設計公司、鋼鐵業界製造商、海事工程公司
電力系統建置：設計公司、電纜電機製造商、佈纜公司、營建公司
離岸風場基礎設計關鍵技術之探討
1.世界石化原料日漸減少，開發成本日益提高，有必要尋求更多新能源，以分攤風險。
2.台灣四周海域風力能源豐富，極具開發價值，但因目前國內法令規定眾多且不明確，需要政府部門整合，以利後續投資開發。
3.部份關鍵工程技術亟待解決，包括引進國外技術或自行研發，加速開發進度。
4.加強人才培育，整合國內產、官、學界資源，儘速執行各項前導試驗，以累積經驗，降低投資風險。
伍、結論與建議
49
50
離岸風場基礎設計關鍵技術之探討
