浮体式离岸风力发电

浮体式离岸风力发电是指安装在浮动结构上的离岸风力发电系统，特点为可以在较深水域装置离岸风力机，以现今的技术水准，一般认为水深50米以内，适用固定式基础结构的离岸风力发电系统；水深50~200米的海域则适用浮体式离岸风力发电。浮体式离岸风力发电位于商业化初期阶段，自2007年以来已有多家厂商开发出原型产品并进行运转测试。全球第一座、也是目前唯一已进入商业运转的案例，为2017年10月开始运转的Hywind Scotland（英语：Hywind Scotland）。该专案开发商为挪威Equinor，发电厂装置容量为30MW，使用5部西门子6MW风力发电机，安装在该公司开发的浮动结构平台上，每个平台装置一支风力发电机。浮体式离岸风力发电概念于1972年首度由马萨诸塞大学阿默斯特分校的William E. Heronemus教授提出，但直到1990年代中期，在风力发电技术大量商业化之后，该技术才再受到重视。全球第一架浮体式离岸风力发电原型机由荷兰Blue H科技公司于2007年12月装置。该原型机发电容量为80kW，装置地点在意大利普利亚，距离海岸21.3公里，安装地点水深113米。浮动结构采用张力腿平台（Tension Leg Platform；TLP）设计，该原型机设置目的为收集有关风力和海洋条件的测试数据，已于2008年底退役。全球第一架全尺寸（未缩小比例）的浮体式离岸风力发电原型机由挪威Equinor于2009年9月装置。该原型机发电容量为2.3MW，装置地点在挪威卡姆岛，距离海岸10公里，安装地点水深220米。浮动结构采用柱状浮筒（Spar-buoy）设计。该原型机2009年安装至今仍持续运转，估计每年发电量约900万度，容量因素为41.4%。全球第二架全尺寸的浮体式离岸风力发电原型机，由美国Principle Power于2011年10月装置。该原型机发电容量为2MW，装置地点在葡萄牙阿古萨多拉，距离海岸4公里，安装地点水深45米。浮动结构采用半潜式平台（Semi-submersible Platform）设计。该原型机运转约五年后，于2016年结束测试任务，随后进行除役。亚洲第一例全尺寸的浮体式离岸风力发电原型机，为日本环境省于2011年启动GOTO-FOWT计划。该计划以两阶段进行浮体式离岸风力发电试验，计划目的为了解浮体式离岸风力装设、运转与除役过程中，对于海洋环境的影响。第一阶段装置尺寸为二分之一比例的浮动结构平台（发电容量100kW）于2012年装置，2013年拆除；原地点2013年装置原比例的浮动结构平台（发电容量2MW），于2015年结束测试并进行拆除。浮动结构由挪威Equinor提供，装置地点为长崎县五岛列岛中的椛岛（英语：Kabajima），装置地距离海岸1公里，安装地点水深91米。2015年试验结束后，根据验证的结果证实认定装置是安全的，且对环境影响小，可继续营运。于是将原机移至五岛列岛的福江岛，距离岛的东岸崎山冲海岸5公里处继续运转，当地水深约100米，至今持续营运中。亚洲第二例全尺寸的浮体式离岸风力发电原型机，为日本经济产业省2011年启动Fukushima FORWARD计划。该计划进行各型离岸风力机与浮体结构的实证研究，以验证各种技术的性能表现，作为日后修改设计与后续大规模装置的参考依据。计划期间共装置四座浮体结构平台，三座在其上装置离岸风力发电机，一座作为海上变电站之用。装置地点位于福岛县外海，距离海岸约20公里，水深100~150米。三支离岸风力机分别于2013年11月、2015年9月、2017年5月完工，至今均持续运转中。全球第一座浮体式离岸风力发电的商转电厂为Hywind Scotland（英语：Hywind Scotland），其开发商挪威Equinor2015年获得苏格兰政府许可，于苏格兰彼得黑德外海设置浮体式离岸风力发电厂，于2017年10月开始运转，电厂距离海岸约30公里，水深95~129米，装置容量为30MW，采用5支6MW西门子风力发电机，浮动结构采用柱状浮筒（Spar-buoy）设计。浮体式离岸风电用来作为风力机基座的的浮体结构，目前有三种主流技术类型，分别为柱状浮筒（Spar-buoy）、半潜式平台（Semi-submersible Platform）、张力腿平台（Tension Leg Platform；TLP）。另外还有一些浮体结构技术与三种主流技术不同。锚定系统指将浮体结构系于海床上的锚炼，避免受到风、波浪与海流的影响而产生位移与倾倒。常见的两种工程设计为张力腿（Tension Leg）与松弛悬炼（Catenary Loose Mooring）。张力腿通常采用3至8根拉紧的锚炼系在海床上，使其浮体结构吃水较其自然浮在海面上深，利用锚炼抑制浮体结构的浮力，防止浮体结构位移与倾倒；松弛悬炼的锚炼则是不拉紧，主要防止浮体结构位移，浮体结构依靠自身的稳定性而不倾倒。IEC 61400-3 设计标准规范基于特定场地外部条件的负载分析，包括风，波浪和海流。IEC 61400-3-2 标准则专门适用于浮体式风力发电机。浮体式离岸风力发电系统的技术可行性并没有受到许多质疑，因为使用浮式结构的海上钻油平台已成功运作数十年。但浮体式离岸风力发电系统与海上钻油平台可获得的经济收益差异巨大，因此浮体式离岸风力发电系统除了可沿袭海上钻油平台浮式结构的技术经验，在降低成本上需要做更多的努力。相对于浮体式离岸风力发电系统，基桩固定于海底的固定式离岸风力发电系统在全球截至2018年底已有数十个商业运转的发电厂，安装风力机支数超过两千支，已证实具有大规模运转的能力。浮动式与固定式比较，在风力机部分成本接近，但浮动式的浮式结构，配电系统成本高于固定式，因此在经济性上面整体成本浮体式普遍高于固定式，这需要浮体式在削减成本上多做努力，或者政府认定浮体式为新兴技术，给予更高的补助额度。浮体结构为浮体式离岸风力发电系统的开发重点，目前全球已有超过30组浮体结构设计概念，多数团队为专注浮体结构的设计与开发，搭配市场上现有的离岸风力发电机组；少部分团队浮体结构与风力发电机组军自行开发。以下列出各类技术的代表性设计：