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作者 InfoLink
更新日期 December 17, 2021

浮式風機在構造上用浮台取代固定式風機的水下基礎,而不同的浮台會搭配特定的繫纜系統,以下InfoLink會先介紹兩種繫纜系統的種類與部件,接著說明目前主流的三種浮台技術,以及各技術的累積容量及案場數的差異。
 

繫纜系統(Mooring system)

繫纜系統負責將浮台固定在特定的位置,將環境作用力移轉到海床以免風機過度位移,損害發電效率。繫纜系統由纜繩跟錨錠組成,不同的繫纜系統纜繩的材質與錨錠的種類也不同。
 

張力式構造(taut-leg configurations)
 

張力式構造
 

而繫纜系統主要分為兩種,第一種為,張力式構造(taut-leg configurations),一般搭配張力腿式平台,這類的繫纜由人造纖維或鐵纜所製成,與海床有30-40度的夾角,在海床上的跨距較小(footprint),因此對海床的破壞較少,並具備垂直荷載(vertical loading)加上由具備彈性的繫纜所提供的回復力(restoring force)使其擁有絕佳的穩定性,能抵抗水平或垂直方向的作用力,但此繫纜系統必須承擔較大的張力,可能有金屬疲勞的隱憂,也需要特製的船駁進行安裝。

張力式結構須提供水平與垂直方向的張力,因而適用錨樁(driven pile)、重力錨(gravity anchor)與吸力錨樁(suction anchor)。錨樁的概念與安裝方式都類似原先的固定式水下基礎的基樁,因此打樁的設備與船隻,成本會因水深而快速增加,在打樁時會產生噪音;重力錨由混泥土與鋼筋所組成,重達數噸重以提供足夠的維持力(holding power)。但錨樁與重力錨在安裝或風場退役時都較為困難,故當前張力式結構的錨錠是以吸力錨樁為主流,此類錨錠是利用幫浦抽出原先在錨筒的水,製造錨筒內的壓力差,使錨錠不斷下沉,拆除時只需往錨筒內灌水即可,錨錠就會被壓力頂回表面。
 

懸纜式構造(catenary configurations)
 

懸纜式構造

第二種為懸纜式構造(catenary configurations),通常會與單柱式、半潛式平台搭配,這類系統多選用鐵鍊或有足夠重量的鐵纜做為繫纜。因部份的纜繩置放於海床上,跨距較大,對海床的傷害也比張力式結構嚴重,也可能干擾漁業或航運活動,海床上的繫纜重量提供浮台水平方向的回復力,錨點也僅能對抗水平方向的作用力,因而在此系統中,垂直方向的回復力由懸纜式結構上的浮筒或配重塊(clump weight)提供,但穩定度仍略遜於張力式結構。懸纜式結構的繫纜安裝過程相對簡單,海事工程成本較低,不過隨著水深增加,考量到船舶的有效載荷,重量較重的鐵鍊逐漸被合成繩索所取代。

懸纜式結構搭配的錨錠首選類型為嵌入拖錨(drag-embedded anchor, DEA),這類型的錨錠已被廣泛使用,適用於黏性土壤,且土壤硬度不會太硬而阻擋錨錠穿透,當風場要退役時也易於拆除。不過這類錨錠有可能意外損害海底電纜或運輸管線。
 

浮動平台技術

而目前主流的浮台技術可以分為單柱式(Spar-buoy)、張力腿式(Tension Leg platform, TLP)與半潛式浮動平台(Semi-submersible),以下將概述各平台的結構,並說明其技術成熟度、適用水深、成本與優劣勢等。
浮台類型


單柱式(Spar-buoy)

單柱式的浮式基礎是依靠圓筒狀的浮台與在結構下半部分的壓艙物來穩定整個平台,因此整體重心偏低、穩定,不需要動態穩定系統;因為結構相對單純、零件較少而易於製造,預期成本下降的速度快。此類型的浮台因結構吃水深,僅適用於水深深度超過100公尺的水域,巨大的體積也讓安裝、運送單柱式浮台困難,風機安裝上因為必須在離岸進行,會動用起重安裝船與其他海事工程能量,另外在維修時也因為其吃水較深而難以拖回港口維修。

單柱式基礎是目前最成熟的技術之一,全球第一座MW等級的商業示範風場,「Hywind Scotland」便是採用此種技術,此風場由挪威開發商Equinor主導,在2009年先安裝示範風機後,以此為基礎建立Hywind Scotland,最終於2017年落成,近三年的容量因子為53.1%,凸顯外海的風資源更豐富且穩定。除了挪威外,日本的五島風場(Goto City)與法國的獅子灣風場(Les Éoliennes Flottantes du Golfe du Lion)也都將採用此類技術。
 

張力腿式(Tension Leg platform, TLP)

張力腿式的基礎是依靠具有張力的繫纜來維持平台的穩定,由於繫纜保持著張力,使整個結構幾乎不會垂直移動,穩定度是所有浮台中最高的;製造、安裝、維護的難度都較低,因為其較小的體積與零件而使平台重量較輕,也使製造與組裝都較為容易,製造後可以在港口或陸上組裝再拖至風場,但繫泊系統與繫纜的安裝成本較其他浮台類型高,因安裝具備張力的繫纜不僅需要特殊的船隻,維修與安裝的過程複雜,且錨錠適用於特定的海床條件,另外,錨鍊也須承受較高的負荷,又整個平台平衡全仰賴錨鍊,一旦錨鍊因金屬疲勞斷裂,將使整個結構傾覆。

張力腿式雖然也是石油探鑽平台的常見技術之一,但風場的應用上不如單柱式與半潛式平台成熟,目前僅在示範階段,示範的風場位於德國,由GICON SOF主導,搭載一台2.3MW的風機,不過預計在2022-2023年間商轉的法國的普羅旺斯風場(Provence Grand Large),浮台由SBM offshore建造,風機則由西門子歌美颯打造,風場總裝置容量為25.2MW,是第一座大規模採用張力腿式浮台的風場,這項專案也是驗證張力腿式技術可行性的關鍵專案。
 

半潛式(Semi-submersible)

半潛式的浮台是由數個浮筒與圓柱相互連接,浮筒負責提供浮力、圓柱則負責提供穩度,再由繫纜系統將浮台固定於指定區域搭配。半潛式浮台的成本是所有類型之中最高的,推估490MW的風場中,LCOE約為147歐元/MWh,略高於張力腿式的142歐元/MWh與單柱式的138歐元/MWh(註一) ,此外,位於葡萄牙的WindFloat示範風場LCOE平均是135.7歐元/MWh(註二),高於其他類型的示範風場 。其一是因為浮台製造困難,半潛式平台的結構複雜、體積龐大、需要多個連接件,第二是因為需要搭載動態穩定系統與主動壓載系統,來確保平台的穩定,不過這類型的浮台安裝過程較為簡易,風機可以先在港口安裝於浮台後再拖往定點,僅需要傳統的港口起重設備,而不需要動用風機安裝船,必要時也可以拖回港口維修;另外,這類型的浮台適用的水深廣,從40公尺到上千公尺的水深都適用,成本不會因水深變化而快速變動。

半潛式平台的技術也相當成熟,位於英國的Kincardine,總裝置容量50MW,為當前最大的浮式風場,而位於葡萄牙北部海域的Windfloat Atlantic,總裝置容量為25MW,採用的都是Principle Power製造,名為WindFloat的半潛式平台,因此在可行性上是無庸置疑的,但製造成本如何降低仍是一大挑戰。
 

技術趨勢

浮式風機裝置容量
 

從上圖可以看到,半潛式與單柱式浮台技術都有相當的累積容量,兩項技術在2022年累積的裝置容量就各自超過100MW,而張力腿式一直到2022年才有明顯的增幅。
浮式風場數量

在2017年到2019年間,單柱式的大幅成長是來自英國由Equinor開發的高風風場,總裝置容量為30MW,在這段期間半潛式都尚未有超過10MW的風場,但之後由於Principle Power的WindFloat技術應用在葡萄牙25MW 的WindFloat Atlantic 2風場,以及英國48MW的Kincardine2風場,讓半潛式技術的累積容量大幅成長,而在風場數量上,半潛式技術在2021年之後也開始大幅成長,從下圖的風場數量可以更明確的看出半潛式風場數量在2022年後遠超過單柱式。

 
結論

上述的三種浮台有各自的優缺點,三種浮台的主要穩定度來源分別是壓艙物、浮筒與懸纜系統,各家廠商的技術差異,在於透過這三項結構取得穩定度的比例不同(註三) 。除了結構上的差異外,海事工程與基礎設備的需求也有所差異,如半潛式浮台的體積較大,且在港口組裝,因此對港口存放空間需求較大,但由於僅需要在港口進行風機吊裝,不再需要大型的吊裝船。而無論何種類型,浮式風場多離岸較遠,船舶航行時間長,對補給線與船員身心健康都會是一大挑戰。

InfoLink認為,當前半潛式風場數超過單柱式浮台,原因可能是單柱式浮台要求水深須超過100公尺,水深越深通常離岸距離越遠,而離岸的遠近會大幅影響運輸、維運與海纜的成本,離岸距離每增加10m,LCOE約增加1歐元/MWh (註四),且單柱式浮台安裝與維修上難度較高,相對的半潛式浮台雖然說製造上較複雜,但其結構與船體相似,船廠在技術銜接、產量提升或成本降低等方面都較為容易。