離岸風力機組之基礎支撐型式介紹

離岸風力機組之基礎支撐型式

離岸風力機組之基礎支撐型式,依據國內外案例一般可分為重力式、單樁式、三連桿式、横支架式、套筒式、吸筒式及懸浮式等(如圖1所示)。由於國內對於離岸風場基礎設計與施工之經驗相當匱乏,未來可先針對國際上現有之研究成果進行重點資料彙整,彙整內容將包含各離岸風機基礎(包含重力式、單樁式、三連桿式、與套筒式等)之一般性說明、各離岸風機基礎適用時機說明、各離岸風機基礎之優缺點討論、及各離岸風機基礎對海洋環境可能之影響等。

 

 

 

 

 

圖1 不同水深所對應之離岸風力機組之基礎與支撐型式 (Malhotra, 2007)

離岸風力機組之構件包含塔架、連接段、及基礎等主要部分,塔架為風力機組至連接段頂端部分,連接段為連接塔架與基礎之過渡結構,而基礎為連接段以下將上部荷重傳遞至海床之部分。

基礎支撐型式,依據國內外案例一般可分為重力式、單樁式、三連桿式、横支架式、套筒式、吸筒式及懸浮式等。基礎之適用性需搭配海床地質情形進行設計,國內西部海域多屬粉土質砂與黏土互層,承載力不佳,在考慮地震與颱風等外在因素,基礎型式以單樁、群樁、或是套筒可能是為較可行之型式,由於國內尚無任何興建離岸風機之經驗,故應先收集國際上各種基礎形式之適用狀況與其興建中與完成後之資料,同時詳加進行分析研究。

由於離岸風機基礎之設置受離岸距離及海水深度影響甚鉅,在較遠及較深的海域,基礎設施之施工、成本及維修更加困難,離岸風機基礎包含之種類與適用性略述如下;

  1. 重力式基礎(gravity foundation)︰混凝土重力式基礎具相對大之底部基座以抵抗側向水壓力,由於不需打樁,成本較低,海上作業時間短,底部基座的大小之設計與機組的旋轉力、地質條件、海浪狀況及氣候狀況有關,若是在緯度較高與較寒冷之海域,圓錐形部份則須用以抵檔浮冰。重力式基礎之施作成本隨水深呈指數增加,因此較常使用於近岸水淺之海域離岸風場工址,如丹麥Middelgrunden電廠,目前混凝土重力式基礎已成功用於10 m 水深之案例 (DWIA, 2003; WPD, 2005),在施工技術上,重力式基礎也可施作於深水區域(SGS, 2005),目前在歐洲北海之比利時離岸風場工址已有適用於20至30 m水深之重力式基礎設計(EWEA, 2007),對於深水區之重力式基礎,一般考慮則多採用鋼鐵材料製作之基礎型式。
  2. 單樁式基礎(monopile foundation)︰單樁式基礎一般用於礫石、砂土、或黏土之海床情形,但在下方需具有堅實地盤,對於海床地質主要為高密度卵礫石、岩層、或是黏土之地層則較不適用(SGS, 2005)。目前單樁式基礎對於水深20至25 m 水深區域為較經濟之基礎型式選項(SGS, 2005; WPD, 2005),單樁式基礎之施作成本隨水深增加而增加,同時單樁式基礎對於砂質海床或是漂砂之問題具較高之優勢。目前單樁式基礎施作之成功案例如 Horns rev (歐洲北海), Utgrunden l (白令海), Arklow Bank (愛爾蘭海域), Scroby Sands (歐洲北海) and Kentish Flats (歐洲北海)等。
  3. 三連桿式基礎(tripod foundation)︰三連桿式基礎適用於未擾動之沉積海床(SGS, 2005),由於三連桿式基礎於施作過程需打樁,對於海床地層含有大量之卵礫石地層則較不適用(DWIA, 2003) 。三連桿式基礎之優勢在於其可施作於較深之水深區,尤其在水深為20至 40 m水深區域,其為技術與經濟上較佳之基礎型式(SGS, 2005; WPD, 2005)。三連桿式基礎之設計尺寸大小與單樁式基礎類似,其受波浪力之影響甚巨,同時施作成本隨水深增加而急速增加。
  4. 套筒式基礎(jacket foundation)︰套筒式基礎對於水深超過20 m 之區域為最具經濟之基礎型式,相較於於單樁式基礎與三連桿式基礎,套筒式基礎之鋼材需求量較低,反之,如果用於淺水區,套筒式基礎則相對成本會提高許多,套筒式基礎之優勢在於其不需相對大型之樁基礎(如單樁式基礎)。Talisman(2006)年之研究指出,套筒式基礎曾成功應用在歐洲北海水深48 m之區域(Beatrice 計畫),同時研究成果指出其為在水深48 m之區域成本最低之基礎型式。

一般採用樁基礎設計的主要目的是將結構物的上部荷重藉由基樁貫穿軟弱土層而傳達至較堅實之土層或岩盤,海事工程樁基礎之設計一般應考慮 (1) 場址地層構造與土壤之工程特性、(2) 施工設備、運送、季節、海象、水深、航道及工程經費等、(3) 上部荷重、波浪、風力、地震力等外力因素。

離岸風機基礎之適用性需搭配海床地質情形進行設計,國內西部海域多屬粉土質砂與黏土互層,承載力不佳,在考慮地震與颱風等外在因素,惟相關詳細與特定場址之細部分析研究工作仍甚為匱乏。一般風機基礎結構之穩定分析,可採用有限元素(finite element method, FEM)或有限差分(finite difference method, FDM)等數值方法,分析時需考慮超額孔隙水壓激發對風機基礎穩定性及變位之影響,以及土層之非彈性行為,利用具代表性之實際地震記錄作為輸入運動,進行非線性動力歷時數值分析,探討在所考量地震等級下,風機基礎結構之性能表現能否符合要求,以評估海床土壤之穩定性,同時瞭解海床互層土壤與風機基礎結構之互制行為,方可確認與檢核離岸風機之最適基礎型式。

國立臺灣海洋大學 大地工程與科學計算研究室 對本議題之研究成果可參考以下資訊。

引用文獻

Cheng-Yu Ku*, Lien-Kwei Chien (2016), “Modeling of Load Bearing Characteristics of Jacket Foundation Pile for Offshore Wind Turbines in Taiwan”, Energies 2016, 9 (8), 625; doi:10.3390/en9080625. (IF 2.077, SCI, 43/88, Q2 in ENERGY & FUELS, JCR 2015)

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