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此篇報導與工商時報合作，並刊載於〈科學家新視野專欄－浮式離岸風機發展趨勢與挑戰〉

文／國立成功大學水利與海洋工程學系教授　郭玉樹
       國立成功大學水利與海洋工程學系博士生　翁子羚
       成大環能有限公司工程師　曾玉修

水下基礎是以鋼鐵或混凝土建造，用來穩定離岸風機、抵抗環境作用力的重要結構，目前臺灣劃定開發的離岸風場，皆位於水深小於50公尺的淺水域，採用固定式基礎離岸風機，固定式基礎型式包括重力式基礎、大口徑單樁基礎（圖1a）、套管多樁基礎（圖1b）等。隨著淺水域離岸風場開發日趨飽和，開發位置逐漸走入深水域，面對更高額的海事施工成本，採用大容量發電機組才符合開發效益。為使更大容量的風機有足夠的穩定性抵抗環境作用力，若採用固定式水下基礎則需加大尺寸，並提高用鋼量，大幅增加海事施工難度。基於以上考量，當離岸風場之水深超過50公尺時，浮式風機被視為最可行的離岸風機型式（圖1c、圖1d、圖1e）。

2011年葡萄牙建置的風浮離岸風場（WindFloat）為全球最早採用浮式風機之離岸風場[1]，隨後蘇格蘭也於2016年建置的高風風場（Hywind Scotland）。目前包括挪威、葡萄牙、英國、日本、法國、德國等國均投入浮式風機研究與開發[2]，而葡萄牙的大西洋風浮風場（WindFloat Atlantic）是少數採用浮式風機的商轉離岸風場，至今（2020年）全球浮式風機總裝置容量為100MW（關於裝置容量與MW，請參考能源名詞解釋1、2）。由於浮式風機的水下基礎型式與石油天然氣之鑽油平台類似，透過石油天然氣工業與造船產業的支持，浮式風機離岸風場開發成本可望逐年下降。根據立恩威國際驗證公司（DNVGL）2020年的報告[3]，固定式基礎離岸風機與浮式風機之建置成本將於2050年逐漸接近，預期屆時浮式風機設置成本將比現今降低約70%，總裝置容量將超過250 GW，佔離岸風電20%以上，約佔全球電力供應2%。

圖 1浮式風機之各部元件[4]

浮式風機型式、各部元件與安裝現況

浮式風機由風機（輪轂、機艙組件）、塔架、浮動載台、繫纜系統（mooring system）與錨錠基礎（anchor foundation）組成。不論固定基礎離岸風機或浮式風機，均需要透過基礎將離岸風機所受的環境作用力傳遞至海床，避免風力發電機產生過大之位移而降低發電效率。浮式風機與固定式風機最大的技術差異在於穩定風機的水下基礎類型不同，浮式風機的水下基礎由繫纜與錨錠基礎組成，主要可分為半潛式（Semi-submersible）、張力平台式（Tension Leg Platforms, TLP）及單柱式（Spar-buoy）等三種類型（如圖1c、圖1d、圖1e）。

半潛式浮式風機用連桿連接三或四個中空浮桶結構作成浮動載台，或以基礎底板連接數個浮動載台，增加浮動穩定性，再以繫纜與錨錠基礎固定於海床。張力平台式浮式風機則以三條至四條之張力繫纜連接浮動載台與錨錠基礎。單柱浮式風機則由一個可提供壓艙重量之長柱結構穩定離岸風機。

由於各類型浮式風機的繫纜受力行為不同，需搭配不同類型的錨錠基礎。一般常見的錨錠基礎型式包括重力錨錠（Surface gravity anchor）及嵌入式錨錠（Embedded anchor）。重力錨是利用錨體自重以及錨體與海床間的接觸摩擦力將繫纜固定於海床面，重力錨之型式包括箱錨（Box anchor）、格柵錨（Grillage and berm anchor）等（圖2）。

嵌入式錨錠基礎則利用錨體貫入海床，藉由錨體自重、接觸介面摩擦力或凝聚力[5]、被動土壓力[6]將繫纜固定於海床。嵌入式錨錠基礎型式包括嵌入拖錨（Drag Embedded Anchor, DEA，圖3a）、吸力錨樁（suction anchor/caisson, 圖3b）、垂直拖錨（Vertical Load Anchor,  VLA，圖3c）、錨樁（Driven or drilled and grouted pile anchor, 圖3d）等錨體型式。

圖 2重力錨錠（Surface gravity anchor）基礎型式[7]

圖3 嵌入式錨錠（Embedded anchor）基礎型式（作者改繪 [8]）

目前全球因為離岸風場之水深條件與開發成本考量主要採用單柱式及半潛式搭配錨錠基礎安裝浮式風機。2009年挪威國家石油公司（Statoil）在挪威裝置全球首座與真實商轉風機相同尺寸的實機等級（Full Scale）浮式風力測試機組，並於2016年取得蘇格蘭政府許可，在蘇格蘭設置5座柱單柱式浮式風機。蘇格蘭高風離岸風場則採用單柱式搭配西門子（Siemens） 公司6 MW風力發電機，完成30MW浮式風場開發，並於2017年啟用商轉。表一為目前全球已完成開發的浮式風場，各浮式風場設置水深均在50公尺以上。

表一 目前全球已完成開發之浮式風機離岸風場[9]

但近期表一中日本的福島未來、福島新風、福島浜風等三座浮式風機均已除役，並將三座浮式風機的嵌入式拖錨自海床中移除回收。原因在於日本政府投入三座先導型浮式風機之研發經費高達621億日圓，但由於三座風機之發電容量因數（關於容量因數，請參考能源名詞解釋3）難以滿足商業開發目標至少容量因數30%的經濟效益（2017年7月至2018年6月福島新風的容量因數為3.7%、福島浜風的容量因數為18.5%、福島未來容量因數為32.9%）[10]，經日本政府協尋產業界投入資金接手營運未果之狀況下，最終決定於2021年完成除役。

臺灣發展浮式風機之條件、潛在區位及可能面臨的挑戰

依據規劃，臺灣開發示範風場、潛力場址兩個階段的時間為2025年之前，開發目標均為水深小於50公尺之潛力場址，而西部風能條件較佳之過渡深水區（水深介於50公尺至70公尺），場址多集中於桃竹苗外海，且尚未規畫開發[11][12][13]。經濟部能源局於2020年提出第三階段「離岸風力發電區塊開發場址規劃申請作業」草案，要求後續擬參與區塊開發之開發商需自行選定擬開發場址並釐清船行、飛航、漁業及海域環境等因素對選定場址之影響[14]。

然目前臺灣固定式基礎離岸風機產業經過產官學界多年的測試與整合，尚無法以國內自有產業完成離岸風力發電機組製造與安裝，僅在水下基礎設計簽證與水下基礎製造取得部分參與機會，執行成效有限。面對過去希冀透過離岸風場潛力場址開發，以促進離岸風電產業本土化之挫敗，國內已有提早佈局浮式風機離岸風場開發相關產業之聲浪。

但歐洲先進國家深水域離岸風場規劃，除了浮式風機，也開始在水深55公尺與水深63公尺處採用大口徑單樁基礎，據此在投入發展浮式風機前，我們應理性審視我國固定式基礎離岸風機產業的能量，並審慎規劃發展深水區離岸風機之型式；尤其應該深入了解歐洲離岸風場深水域施工案例，評估建置成本效益。畢竟離岸風場開發目的在於發電，電價收購的商業行為與離岸風機的建置成本，將決定何種風機能成為我國2030年以之離岸風場區塊開發的要角。

若臺灣投入浮式風機長期研究與示範風場建置，因為錨錠基礎設置深度較淺，且錨錠點位散佈面積較廣，應特別注意西部複雜海域土壤地質條件對浮式風機錨錠基礎設置造成之潛在風險。一如彰化外海離岸風場海床土壤多為軟弱凝聚性土壤與疏鬆非凝聚性土壤交錯互層；桃竹苗外海離岸風場海床土壤則多為風化頁岩上覆卵礫石層與疏鬆砂層。因兩者海床土壤條件截然不同，進行浮式風機錨錠基礎設計時，尤其需要注意錨錠基礎於海床堅硬土層安裝之可行性。因此於浮式風場開發前需更縝密調查海床土壤與地形變遷，以降低錨錠基礎安裝失敗與錨錠功能失效風險。

此外，若要開發浮式風場，政府應提早佈局與規劃本土產業參與浮式風場開發所需的碼頭等基礎建設建置。透過協助組織浮式風機本土國家團隊與國際離岸風場開發商合作，放緩深水區離岸風場開發時程，讓本土廠商有足夠之時間學習相關技術並取得工程實績，避免重蹈現階段離岸風機開發難以達到產業本土化目標之覆轍。