浮式離岸風電：創新技術和系統設計挑戰

全球離岸風電的裝置容量近年來快速增長，從 2016 年的 14 GW 增加至 2023 年的 67 GW。預計到 2032 年，此數字將超過 400 GW (WFO，2024)。目前，大多數離岸風場使用固定式風機，而浮式離岸風電 (FOW) 容量僅佔不到 0.3 GW。然而，浮式離岸風電將預計將成為離岸風電開發的關鍵技術。全球 80% 的離岸風能資源位於水深超過 60 公尺海域 (GWEC，2022)。浮式與固定式的主要區別在於，浮式離岸風電將風機安裝在浮動平台上，並透過繫泊線固定在海床上，此動態特性將影響基礎設計及其他子系統的設計。本文將探討浮式離岸風電組件所面臨的設計挑戰。

系統設計

浮式離岸浮台對離岸風電產業而言或許是新穎的，但自 1950 年代起，浮式平台已在石油和天然氣行業中使用，並已成功應用於超過 2,000 公尺水深的海域。借鑒石油和天然氣行業的經驗，可為浮式離岸風電繫泊系統設計提供參考。然而，在石油和天然氣產業中的浮台，和浮式離岸風電繫泊系統的設計理念卻大不相同。石油和天然氣行業由於加工材料的危險性，要求極高的安全標準，並且由於該行業的高經濟價值，能夠承擔冗餘的繫泊系統設計成本；然而，對於離岸風電產業而言，成本效益至關重要。創新是降低成本的關鍵之一，同時不能犧牲安全性和系統性能，為風場開發商提供了更多選擇，但也帶來了新的平台設計選擇挑戰。

浮式平台

浮式平台的設計可分為 4 大類型：浮筒式 (SPAR)、半潛式 (Semi-submersible)、駁船式 (Barge) 和張力腿式平台 (TLP)。目前市場上已有超過 200 種不同的浮式平台概念[1]。每種設計都有其特點，既帶來優勢也有局限性。例如，半潛式和駁船式平台可以在較淺的水域（如小於 100 公尺）建造並安裝，但半潛式製造過程較為複雜，而駁船式因受限海浪運動影響，需要更為複雜的繫泊系統支援。

如同許多其他新興技術，一旦技術成熟，最終只會有少數幾種設計能夠留在市場上。隨著更多浮式平台在現場進行驗證，設計的重點從系統穩定性轉向系統的製造和安裝。例如，早期的半潛式平台設計基於穩定性考量，將風機置於平台中央。而如今，大多數設計則將風機安裝在平台邊緣或角落，如此利於組裝高度超過 200 公尺的大型風機。畢竟，目前的起重機無法將數千噸的組件在海中央吊裝至超過 100 公尺的高空。

繫泊系統

在設計浮式離岸風電的繫泊系統時，需考慮多種關鍵因素[2]。浮動基礎的選擇對繫泊系統的設計有顯著影響。張力腿平台 (TLP) 依賴旋緊的繫泊線來保持穩定，而其他平台則通常採用「懸垂式系統」(Catenary System)、「半緊拉式系統」 (Semi-Taut System) 或「緊拉式系統」(Taut-Leg System)。水深和環境條件決定了繫泊系統所需的強度，以應對極端負載和疲勞損耗。海床條件如土壤類型和地震活動中液化的可能性，也是選擇合適錨定方式的重要考量因素。

近年來，針對繫泊系統的創新解決方案已被探索[3]。新材料如合成纜繩，以及降低負載裝置可顯著減少繫泊線的成本和重量。共享錨或共享繫泊配置（例如將多個式動風機連接至單個錨點，或利用中水浮體在風機間共享繫泊線）在降低成本方面顯示出巨大潛力，但仍需進一步研究。

具有動態特性的類似組件

浮式離岸風電系統中的部分組件，例如風機葉片、機艙和塔架，與底部固定式離岸風電基本相同。然而，某些組件的功能雖然相似，但其設計必須進行調整以應對浮動結構的動態特性。

動態電纜

動態電纜 (dynamic cable) 是將風機產生的電力傳輸至陸域電網的關鍵組件。與固定式離岸風場不同，動態電纜必須承受浮動結構所帶來的持續彎曲、扭轉和拉伸循環[4]。電壓從 33 kV 提升至 132 kV 後，電纜設計變得更具挑戰性。

動態電纜接頭是連接風機與變電站之間電纜的核心部件，分為「乾式」和「濕式」兩種。乾式接頭技術較為成熟，但斷開時需要將電纜提至水面。相較之下，濕式接頭可在水下連接或斷開，有助於安裝和維護操作，但目前仍處於早期發展階段。非傳統的陣列電纜佈局（如魚骨式和星形佈局）可提升冗餘性和靈活性，但在水下匯流站和濕式接頭技術方面仍需進一步發展。

離岸變電站

針對浮式離岸風電的電力儲存與傳輸，已提出多種變電站設計方案。如果水深不夠，仍可安裝固定式變電站；例如，目前一些石油和天然氣平台已在深達 400 公尺的海域運營。隨著浮動風場逐漸向更深水域發展，開發具有成本效益且可靠的浮動變電站變得愈發重要，但同時也面臨許多挑戰，如動態輸出電纜的可行性問題。此外，作為潛在的替代方案，水下變電站正在被探索，例如目前挪威的一個示範項目正進行相關測試。

加速浮式風電的發展

系統性方法的重要性

從整體系統的角度考量，採用系統化方法而非將各個組件孤立設計，可以縮短浮式離岸風電開發時間，並降低成本。浮式離岸風電涉及不同子系統和組件的開發，其設計可能會相互影響。例如，浮式結構的動態運動設計，會直接影響到繫泊系統和動態電纜設計。通常每個組件由不同的技術供應商進行設計，並在整合到整個系統後進行微調。這種設計周期可能需時數年且成本高昂，若在早期階段鼓勵系統思維和產業協作，有助於後期的設計調整。

此外，為了優化整個 FOW 系統的設計，美國國家再生能源實驗室 (NREL) 開發出一個整合模擬框架—「風能系統整合伺服控制」(WEIS)，該框架將 FOW 設計中不同開發階段模型整合，實現多個組件的協同設計[5]。該工具使工程師能夠理解並優化各個組件間的複雜交互作用。

支持創新和技術發展的需求

現階段 FOW 開發必須解決許多挑戰，才能使其成為具有成本效益的能源來源。然而，現在的早期階段也為市場和技術研發提供顯著的創新機會。由於仍有許多問題未得到解決，學術界與產業界之間的協同研究和開發尤為重要，科學研究可以為未來技術的開發和改進奠定基礎。

為驗證新 FOW 技術的性能、可靠性和安全性，在真實環境中進行示範項目測試尤其關鍵。示範項目提供寶貴的數據，有助於優化設計並解決技術挑戰，對積累規模化商業部署所需至關重要。

政府在推動 FOW 創新中扮演著關鍵角色，透過提供長期政策穩定性、建立支持性監管框架，並支持研究和開發[6]，以及提供強有力的財務支持機制（如差價合約和上網電價補貼），有助吸引開發商參與早期示範項目。

總結

浮式離岸風電系統設計是一個複雜且不斷發展的領域，需要綜合考量各組件之間的相互作用，並在性能、穩定性和成本效益方面進行最佳化。我們需要在各個領域展開協作研究，以解決尚存的挑戰，並通過試點和示範項目推動創新、增強信心、降低風險與不確定性。這些行動將共同推動我們邁向浮動離岸風電成為未來能源解決方案核心的目標。

Reference:
[1] 資料來源：RWE，塑造浮式風電的未來
[2] 資料來源：WFO，浮式離岸風電的繫泊系統
[3] 資料來源：DNV，繫泊系統
[4] 資料來源：WFO，浮式離岸風電的動態電纜
[5] Barter et. al., 2020
[6] DNV，2022b

GWEC (2022). New GWEC report identifies floating offshore wind’s critical role in long-term global decarbonisation efforts
https://gwec.net/report-outlines-enormous-potential-for-floating-offshore-wind-in-energy-transition/

WFO (2024). Global Offshore Wind Report 2023
https://wfo-global.org/wfo-global-offshore-wind-report-2023-published/

DNV (2022). Mooring systems: Floating wind and solar research needs.

DNV (2022b). Floating offshore wind: the next 5 years

Barter et. al. (2020). A systems engineering vision for floating offshore wind cost optimization
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1755008420300132 WFO (2022). Mooring systems for floating offshore wind: integrity management concepts, ricks and mitigation