近年來綠色能源越來越被重視，而風力發電占有相當的比例，穩定風場的腹地與噪音問題為考量重點，所以離岸風電成為一個解決方法。本研究主要係探討四種離岸風力桁架支撐結構，建造在台灣海峽時的安全性分析，比較結構強度與二十年運行時間內結構疲勞壽命預估。利用有限元素軟體，建立四種高度適合台灣海峽的支撐結構。藉由時域性分析取得應力訊號，利用雨流記數法計算應力範圍，並且依據相關規範計算應力集中係數與疲勞曲線，經由P-M (Palmgren-Miner)理論計算破壞率。本研究也同時比較台灣颱風狀況下四種支撐結構強度。
前言
近幾年，台灣積極的推動離岸風力發電的發展，預計在2030年完成450架陸上風機與800架離岸風機，使得總產能達到5200MW[1]，然而台灣離岸風機的發展處於剛起步階段，仍有相當多議題尚未探討，在台灣又有颱風之極限狀況，若結構發生損壞，離岸維修工程不僅困難繁雜，且費用亦相當龐大，基於成本與人身安全，離岸風機支撐結構之穩定性成為考量重點。本研究選定標準四層桁架式支撐結構，及三種自文獻中所挑選的結構，在相同高度尺寸、相似重量的假設下，建立有限元素模型模擬並進行比較，以期望未來在台灣西岸建立離岸風機時，能針對支撐結構找出較佳的設計，維持離岸風機預期運行時限內的安全性。
研究方法
本研究根據標準3.6MW四層桁架式支撐結構尺寸 (如圖1)，並於支撐結構分析的文獻[2]中挑選一種較佳的四腳式傳統桁架式結構 JK、與兩種三腳式桁架結構，分別是美國專利式結構TJ30新式結構MJ30，比較四種結構強度。並且計算接點的應力集中係數，利用接點應力計算破壞率。
模型建立
本文建構了高度39.22公尺，重量301公噸的套管式支撐結構(Jacket Foundation with X-braces, JX)有限元素模型(如圖1)，適用台灣海峽水深的桁架式支撐結構。
在相同高度與相近重量的假設下，建立JK、TJ30與MJ30的結構(如圖2)，以標準結構重量301公噸做為參考，在設計階段中，三種結構重量相差在10%以內，在此假設下比較結構強度。
四種結構總重量與桿件數目如
表1，可看出四腳式結構(JX、JK)的桿件與接點數目高出三腳式支撐結構(TJ30、MJ30)許多。結構之疲勞常常位於銲接
點處，故減少銲接點的數量能夠減少結構發生疲勞破壞的機會，此外銲接在工程上需要額外程序使施工費用上升，因此接點數越少越有利於建造工程。
負載狀況
為分析支撐結構安全性，因此考量風負載與水負載。國際電工委員會於IEC 61400-3定義風力機之設計工況分為極限負荷和疲勞負荷。不同的設計因為其結構和重量不同，故模態頻率顯差異；同時其波浪負荷各自相異，故應力反應也不盡相同；換言之，分析每一種設計需要重新完整地進行全程計算。本節所討論之極端負荷工況(Ultimate Limit State, ULS)以及疲勞負荷工況(Fatigue Limit State, FLS)，作為標的基礎結構之安全性分析條件。風機組依照分級而能承受不同的停機風速，在設計階段，選定停機平均風速為50m/s的風機組作為極限狀況的模擬，在IEC規範中規定陣風因子為1.4，即針對平均風速為50m/s的風況，所考量陣風風速為70m/s，在本篇颱風狀況的進行了38秒短時域模擬，皆採用70m/s施加進行短時間模擬。而波浪浪高為14.8m、周期12.7s，負載參數如表2。疲勞負載使用常態風與波浪統計資料計算各自的負荷，其計算流程如圖3。
當環境負載施加在桁架式支撐結構上時，需要考量的因素太多，例如各種負載的施加方式，這些因素會造成有限元素模擬過於複雜。為了簡化Abaqus模擬分析，將環境負載中的風、波浪和水流負載依據DNV-RP-C205[3]規範方式簡化成單方向的負載力。本文在負載分析中主要施加3種負載(重量負載、風負載以及水負載)，而在風負載中又會區分成2種：風機組風負載(Wind turbine load)等效成一點集中力施加在風機塔柱頂端；風機塔柱負載(Wind tower load)則以線負荷方式，依照風機塔柱所在高度與管徑大小分五段施加，如圖4所示。並且在颱風狀況模擬中，為了得到最極限狀況，以支撐結構對角方向施加，使得支撐結構單腳架在後。
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