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離岸風電海事工程- 船舶主動補償式懸吊技術簡介

摘要"

我國發展離岸風電目標於2025年建置5.5GW,海事工程扮演相當重要角色,海事工程亦為離岸風電國產化之項目,除了安裝、施工等相關船舶外,船舶上之裝置設備也是國產化可行項目。而於離岸風電安裝作業中,吊裝作業佔比相當高,而船舶因波浪晃動,導致吊裝作業亦隨之晃動,增加作業困難及時間,因此發展風場安裝吊裝船舶之吊重系統主動垂向起伏補償技術相當重要,因應後續離岸風電大規模開發受大水深、高負荷影響所產生之大型風力機基座,離岸風電水下結構設計重量隨水深而攀升,我國目前缺乏有效機具以增加可工作天數,執行吊裝作業,需配合吊重系統開發吊裝所需之補償控制技術,以因應未來離岸風場開發之作業需求。垂向起伏補償機構需依吊重要求設計合適補償機構之型式及規格。並由海事工作船上之船體運動資料,包含heave、pitch、roll,以即時計算及顯示吊裝過程之狀態,提供吊重物件位置及吊重操作整合資訊,以此發展即時運動主動補償系統,開發懸吊機構之垂向起伏(heave)補償控制技術,回授控制吊索之上下起伏量。依據規劃的吊重系統,考慮吊重及動態反應,懸吊機構於不同操作狀況之主動垂向起伏控制,達到作業環境水深及有義波高條件下穩定吊裝需求。將有助於國內產業界之國產化發展目標,實際協助國內產業升級。

關鍵詞:離岸風電、海事工程、吊重系統、垂向主動補償

全球離岸風電市場現況

離岸風力發電已經被世界各國政府納入到能源規劃中,並扮演著達成歐洲2020年再生能源占總消耗量20%目標的重要角色。根據世界風能協會(GWEC)2018年的統計資料顯示,至2017年底全球離岸風力發電累計裝置容量共計18,814 MW,分布於全球17個市場,其中歐洲11國離岸風力發電累計裝置容量即達15,780 MW,佔全球84%。其他16%則分布於台灣、越南、日本、美國及南韓。英國2017年離岸風力累計裝置容量為6,836 MW,佔全球36%;德國以5,355 MW暫居第二,佔全球28.5%;中國則增加至2,788 MW,超越丹麥成為全球第三,佔全球15%。
圖1為全球離岸風力2017年新增及累積裝置容量。GWEC所領導的FOWIND聯盟正在為印度發展離岸風力藍圖,其他國家,如巴西,也已經表現出未來開發離岸風力的意願。全球離岸風電市場未來成長性可期,預期2020年全球離岸風電新增裝置容量占整體風電之比重近15%,累計裝置容量約可達40 GW。圖2為GWEC全球2017-2021年離岸風力裝置容量預估圖
目前推動離岸風力的國家大都已訂定離岸風電中長期發展目標,以各國發展目標分析,2020年中國(5GW)、美國(10GW)、英國(9.5GW)和德國 (6.5GW),如表1。2030年中國(30GW)、美國(54GW)、英國(23GW)和德國 (17.5GW)累計裝置量。亞洲鄰國日本2020年目標為建置400MW離岸風場;韓國目標則為2020年建置2.5GW,除了採用綠色憑證(Green Certificate, GC)作為誘因外,更由政府與民間合資成立公司統籌規劃,政府預計投入9.2兆韓元(約新台幣2,464億)發展離岸風電產業。目前推動中國家的主要政策工具包含制訂收購電價(Feed-in Tariff;FIT)、競標(tender)與綠色憑證(Green Certificate, GC)等。
離岸風場之施工及維運皆須仰賴海事工程,海事工程(含施工及海上併網)佔風場開發計畫總預算超過50%,與陸域風場明顯差異,因此海事工程技術能量與成本之掌握,影響計畫時程及成敗至鉅。我國現正籌建國內大規模風場開發所需之離岸風力發電產業組裝港埠、海事工程自主施工與維運船隊。而離岸風場設備國產化為政府既定之發展目標,台船結合國內相關業者組成M-Team (Marine team),積極投入發展離岸風場之建置及維護所需之船舶相關設備,離岸風場之施工及維運海事工程設備國產化將比離岸風機國產化相較更容易實現。
離岸風場之施工及維運船舶,有各種不同之需求,如圖3所示,包含補給船、交通船、鑽測打樁自升式平台船、載運及安裝自升平台船、灌漿船、拋石船、鋪纜船、水下作業船艇等。而改裝既有船隻進行離岸風電海事工程建置,並協助我國海事工程業者建造水下基礎施工船、風力機安裝船,將是較快速可滿足國內需求之作法,迅速建立海事工程船隊,達到離岸風場海事工程國產化目標。

離岸風場垂向起伏主動補償技術

離岸風電安裝作業中,吊裝作業佔比相當高,而船舶因波浪晃動,導致吊裝作業亦隨之晃動,增加作業困難及時間,如圖4所示,因此發展風場安裝吊裝船舶之吊重系統主動垂向起伏補償技術相當重要,因應後續離岸風電大規模開發受大水深、高負荷影響所產生之大型風力機基座,離岸風電水下結構設計重量隨水深而攀升,我國目前缺乏有效機具以增加可工作天數,執行吊裝安裝作業,需配合吊重系統開發吊裝所需之補償控制技術,以因應未來離岸風場開發之作業需求。國際有關離岸風場垂向起伏主動補償(AHC, Active Heave Compensation)技術之探討,已有歐美相關集團之技術發表。德國Bosch Rexroth為全球最大液壓集團,其發展垂向起伏主動補償系統可控制垂向位置或纜繩之張力控制,有不同之控制模式可供選擇,如圖5。此外,其主動補償系統也有不同之液壓系統設計,包含:以一次側或二次側控制液壓馬達、以電動馬達控制、及以直線液壓缸控制,主要區別在於補償之行程、載重(5 tons~4,000 tons)及頻寬。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌。

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